超快光谱：让皮秒/飞秒时间尺度的动力学过程可视化——访南方科技大学陈熹翰副教授

相关报道显示，超快光谱测试技术在Nature、Science及子刊上频频出现，吸引越来越多科研工作者的青睐。也有专家评价说，超快光谱的出现，给相关科学领域带来了一场新的革命。那么什么是超快光谱？超快光谱有多快？又能解决哪些关键问题……

为了进一步了解超快光谱的技术及应用现状，仪器信息网编辑特别走进了南方科技大学机械与能源工程系，邀请在超快光谱研究应用方面颇有建树的陈熹翰副教授给大家分享他心目中的超快光谱技术。

南方科技大学 陈熹翰 副教授

超快光谱：向时间更快、空间分辨率更高方向发展

据悉，早期的超快光谱空间分辨率没有很高，只有大概几微米或者几百微米的空间，现如今，随着各种显微技术的快速发展，超快光谱的空间分辨率可以达到几百纳米。同时，超快光谱时间分辨率非常高，近年来，发展迅速的超快光谱成为了研究皮秒和飞秒时间尺度内的分子结构与超快动力学行为的强有力手段。通俗来比喻，超快光谱类似超快摄像机一样，让人们能通过一帧一帧的“慢动作”观察到处于化学反应过程中原子与分子的转变状态。当前，超快光谱已被越来越广泛的应用在物理、化学、生物、材料、医疗、能源及环境等众多领域。其中，在物理领域，超快光谱可以应用于半导体磁性材料、超导体、绝缘体、复杂材料、量子结构、纳米和表面体系、太阳能电池等研究领域。

对于超快光谱技术当前的研究进展，陈熹翰表示，总体来讲，国内外发展比较均衡，目前主要有两个重要的发展方向：一个是时间更快，即在超快的基础上提出新的概念——阿秒（10^-18秒），以便了解更多分子、原子里电子的动力学过程；另一个是空间分辨率更高，以便可以看到更小、更加清楚的动态过程。除此之外，国内外的相关人员也在尝试把超快光谱拓展到不同的波长，例如从X光到太赫兹甚至微波，以持续推动超快光谱前沿技术的应用拓展。

“虽然当前在科研研究中得到大家的青睐，但超快光谱更多的情况下是一种研究方法，未来在成为一种通用技术的道路上还有许多局限性。” 陈熹翰在采访中分享了制约超快光谱应用的三个因素：一是采集数据的时间较长。采集一次的时间约10~30分钟，如果需要更高的数据信噪比，则需要一个小时甚至两个小时；二是需要专业人员分析数据。在分析光谱时，要赋予其物理意义，将实验与实际结合，这需要一定的知识背景和经验积累；三是激光器成本较高。飞秒激光器费用可高达百万元以上，加上搭建激光器、光路和探测仪器等费用，一套仪器设备的投入可能需要300万元左右。这些问题在一定程度上限制了当前超快光谱更大规模地应用于市场。

超快光谱在光电材料领域的应用优势显著

都说热爱源于兴趣，陈熹翰就是如此，他喜欢研究事物背后的机理，特别是物理化学的转化过程。据介绍，陈熹翰在读本科时，就发现常用的化学手段没有办法非常清楚的展现反应的进行过程，例如太阳能的转化过程。之后，他接触到了超快光谱，发现超快光谱能够契合他的想法，并对其产生了极大的兴趣，由此踏入了超快光谱研究领域，并于2017年在美国取得化学博士学位（超快光谱方向），2021年加入南方科技大学，目前主要从事太阳能光电转化材料（如太阳能电池）以及机理研究工作。

据介绍，当前，陈熹翰研究团队共有6~7人，在超快光谱技术及应用的相关研究中已经取得了一系列的研究进展。在光电转换材料方面，基于超快光谱的研究方法，陈熹翰团队自己搭建并设计了一些光路、功能、模型和方法，比如与反射光谱、太赫兹光谱等联用，用来研究太阳能转化材料的表界面性质，进而分析表界面动力学和转化效率的关系；在光电化学材料方面，陈熹翰团队在超快光谱技术的基础上开发了原位全反射光谱的方法，直接研究光电化学分解水的过程，他介绍说：“通过超快光谱，就像照相一样可以直接看到制约分解过程的两种反应中间体，并且可以通过pH或者其它方法来调控这两种中间体，进而控制水分解反应的速度。”

2022年陈熹翰在《先进功能材料》期刊发布了一篇关于钝化钙钛矿界面处缺陷的文章，受到了极大的关注。特别值得一提的是，在这项成果的研究过程中，陈熹翰应用了大连创锐光谱科技有限公司（以下简称创锐光谱）的超快瞬态吸收光谱系统。对于为何会选择该国产仪器设备，陈熹翰表示：“我个人选择仪器的标准，第一点就是它的稳定性要好；第二点是可以定制化，我们可以做自己的改进；第三点就是售后服务一定要及时。”其实，陈熹翰一直在关注国内外相关的仪器产品，也做了很多调研对比，他表示，相比进口品牌，国产超快光谱仪器在国内科研应用中会更有优势。其评价说，以创锐光谱超快瞬态吸收光谱系统为例，相比进口品牌，这套系统的性能参数、稳定性可以完全对标，同时创锐还针对不同需求提供了定制服务，这是进口设备做不到的。系统交付后，双方在设备培训和沟通十分及时高效。系统可靠性也很优秀，投入使用至今未发生过异常。

创锐光谱超快瞬态吸收光谱系统

技术亟待推广，多领域发展值得期待

随着科学研究的不断深入，超快光谱也迎来了发展机遇。陈熹翰对于超快光谱的应用潜力信心满满，他分析道，从国家发展战略的角度出发，有三个方面的发展值得期待：首先，国家正在大力发展半导体产业，超快光谱对于研究半导体系统缺陷、提升其工艺水平十分重要；其次，在可再生能源领域，特别是太阳能电池、光催化分解水等方面，应用超快光谱可有助于研发出更高效的太阳能电池和催化剂，更快地完成从传统能源到新能源的转型；另外，国家也在积极推动生物制药等领域的发展，超快光谱可以用来研究生物体系中的一些能量转换模式，为之后的生物制药相关过程分析提供指导。

机遇意味着拥有无限可能，对于超快光谱未来发展的可能性，陈熹翰也分享了自己的观点。他表示：未来，超快光谱在科研、工业两个方向都会有比较大的发展。科研方向上，超快光谱除了朝着时间更快，空间利用率更高的趋势发展之外，波长范围也将会更广，这样超快光谱将在任意波段都可以进行相关的研究；工业方向上，超快光谱将更多的与软件相结合，通过预设模型既可使采集数据更快，又可直接通过软件进行大数据分析，直接给出大家想要的结果。

采访中，陈熹翰特别表示，虽然目前超快光谱的发展还处于起步阶段，但潜力非常大，亟需向大众宣传推广，以推动其在相关前沿基础科学研究及工业中的应用拓展。陈熹翰表示：“除了像我们一样的专业人士之外，希望能让更多的人了解、使用超快光谱技术。当然，实际应用中需要操作者有一定的材料学、物理学技术背景，确实有一些难度，不过随着我们国家的发展，理工科人才越来越多，大家的知识背景越来越强，这项技术就可以进行更多、更广泛的推广。”同时，对于未来的推广方式，陈熹翰也给出了自己的想法，“在我看来，超快光谱想要推广应用，一是需要在高校、科研院所、产线上刷存在感，吸引更多的用户去了解它，应用推广的机会也就越多；二是通过相关网站、各大平台等做更多的科普宣传，向大家普及超快光谱如何使用，有何优势，可以帮助解决何种问题等；三是超快光谱若能够作为国家战略层面上的一项技术或者一项储备来宣传的话，将会达到事半功倍的效果。”