物理科学与技术学院孙建辉教授和魏子寓博士于2025年5月在美国光学学会旗下权威期刊《Optics Letter》合作发表题为“Defect-assisted Auger recombination in graphitic carbon nitride revealed by excitation-density-dependent transient absorption spectroscopy”的研究论文。该研究通过激发密度依赖的飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）技术，揭示了石墨相氮化碳（g-CN）材料中π轨道激子态的二重简并特性。并基于速率模型对其π轨道激子动力学的定量分析，进一步揭示出三种光生载流子弛豫路径：单分子陷获、双分子复合及俄歇复合过程。由此测得高结晶度CN (TTCN)的俄歇复合系数较原始CN (PCN)显著降低一个数量级，这主要归因于材料结晶度的提升与缺陷的钝化效应。该研究建立了g-CN材料中缺陷介导俄歇复合的动力学框架，为其光电转换应用提供了实验基础。

石墨相氮化碳是一种重要的有机半导体材料，因其可见光响应性、高化学稳定性和可调控电子特性等优点，在太阳能转换领域应用广泛。然而，其效率受到丰富的本征晶格缺陷（如氮空位、边缘无序）的限制。这些缺陷充当光生载流子陷阱并通过肖克利-里德-霍尔(Shockley-Read-Hall) 路径促进非辐射复合。近期，低维半导体领域的研究表明，缺陷可作为"俄歇热点"来局域载流子或介导中间能量转移，从而加速光生载流子参与无辐射跃迁。在缺陷密度较高的CN材料中，这种缺陷-俄歇协同效应很可能主导着高辐射工作条件下（如聚焦太阳光或激光激发）的效率。然而，此前尚无研究系统性地探究该机制，导致对CN光物理的理解存在空白。本研究基于飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）全面解析了g-CN中的光生载流子动力学过程。g-CN中的布居数可以根据泊松分布计算。在激子弛豫的初始阶段，平均激子填充数与激发密度成正比。如上图所示，∆A与平均激子填充数的函数关系可以用泊松分布函数很好地拟合。这种极好的一致性验证了g-CN的GSB主要源于双简并π-轨道激子跃迁。

为了深入理解g-CN的缺陷辅助的俄歇复合机制，我们进一步研究了激发密度对TA动力学的影响。PCN和TTCN在不同激发密度下的TA衰变曲线分别如上图(a）和（b）所示。在弱激发密度下，TA的寿命几乎保持不变；而在强激发密度下，TA的寿命与激发密度成反比。快速衰变成分的出现表明非辐射衰变率增加了，这主要归因于强光激发下的俄歇复合过程。半导体中与激发相关的行为通常与速率方程一致。一般地，光激发电子和空穴的密度相等。TA寿命与激发密度的函数关系可用速率方程很好地拟合。对于半导体材料，系数A描述了通过缺陷、杂质或表面态的单分子捕获过程，它可以直接反映材料的结晶质量和缺陷密度。我们观察到，与PCN相比TTCN的系数A明显降低，这表明TTCN的非辐射单载流子捕获率相对PCN降低，证实了热处理降低了缺陷态密度。同时，我们发现TTCN的辐射复合系数B也相应增大，进一步证实了上述结论。值得注意的是，与PCN相比，TTCN的非辐射俄歇复合系数降低了一个数量级，这表明缺陷态能促进俄歇复合过程。为了阐明g-CN中的缺陷辅助俄歇复合机制。当g-CN材料中存在缺陷时，光载流子会被迅速捕获，形成束缚激子态。与自由载流子相比，g-CN中的束缚激子可以表现出更长的寿命。如图所示，当空穴被俘获时，电子-空穴复合的概率会降低，从而导致电子寿命延长。长寿命电子的积累可形成动态电子气背景。解离的自由电子通过缺陷介导的虚跃迁与背景电子气相互作用，最终完成三体俄歇过程。因此，缺陷态可以充当媒介，大大提高俄歇复合的发生概率。

本论文的第一作者为黑龙江大学硕士研究生郜天琦，通讯作者为M体育平台·(中国)官方网站孙建辉教授和魏子寓博士，该工作得到了得到了黑龙江省高校基础研究青年人才项目（YQJH2023142），黑龙江大学优秀青年基金（JCL202303）和黑龙江省高校基本业务费 (2022-KYYWF-1118) 的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.561764