建立超快光譜分析系統及分子超快動力學之研究

Abstract

隨著超快雷射技術的發展，短脈衝光譜分析被應用在觀測許多物理系統的瞬態反應，而時間落在飛秒等級的光化學反應更尤其受到重視跟研究。在小林孝嘉教授指導的先進雷射研究中心裡，我與日本研究團隊合作並建構非共線光參數放大器(NOPA)，利用其所產生的短脈衝雷射來研究分子的超快動態行為。NOPA系統所產生的寬頻帶短脈衝雷射，很適合用來探測光化學反應中中間物質的動態變化以及分子結構瞬間運動情形，配合使用多頻道鎖相放大器，可將每一頻道所偵測到的超快動態反應清晰完整的紀錄。在我們研究室完成了NOPA系統的架設並可產生10飛秒以下的雷射脈衝，配合快速掃描系統的建立，可快速的對不同物質實行的光譜探測並瞭解其動態行為。 應用上，我使用NOPA系統對有機太陽能電池中的聚(3-己烷噻吩) (P3HT)分子聚合物做超快動力學分析；最近這種塊材異質接面的共軛高分子/富勒烯複合物應用在太陽能電池上時，成功發展出高轉換效率的複合物 (聚(3-己烷噻吩) (P3HT) / [ 6,6 ]苯基C61丁酸甲酯 (PCBM))，加上低毒性、可調整的電子或是機構特性、容易製作以及低廉價格等優點，可望取代傳統矽薄膜太陽能電池。但P3HT的組成、薄膜厚度、溶劑使用以及退火時間等因素都會影響轉換效率，而原因尚不明朗。在這篇論文裡藉由NOPA系統的光譜探測解析出P3HT內分子的超快動態行為、時間以及薄膜內部呈現的缺陷密度，期待提供給相關製程技術重要訊息，這也是從其他量測系統上所從未見過的成果。

We developed a system of non-collinear optical parametric amplifier (NOPA) which has sub-10 fs laser pulses output with smooth and broad spectrum successfully. Using multi-channel lock-in measurement system with new developed fast-scan system, ultrafast dynamic signal at every probe wavelengths can be measured simultaneously and efficiently with excellent signal-to-noise ratio. As an application of the above spectroscopy system, we performed ultrafast dynamics of an organic polymer of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) molecule, which is supposed to be hopeful material for organic solar cell. In this work the ultrafast spectroscopy of P3HT we performed clarifies its ultrafast dynamics, relaxation time, and defect concentration inside the thin film. From these novel results I hope to provide key information to improve the performance of the solar cell.