ultrafast pump-probe measurements 用戶應用分享

專訪：Andre Maier 博士 與 Marcus Scheele 教授

請談談你們至今為止的科學生涯歷程。

Marcus：
十五年來，我一直深深著迷於半導體奈米晶體的化學與物理。在職涯早期，我非常幸運能與這個領域的頂尖科學家共事並向他們學習，例如 Horst Weller、Dmitri Talapin 以及 Paul Alivisatos。我們目前在研究群中持續探索的一些想法，其實都源自於那些早期的經驗。在我看來，這正是一個很好的例子，說明科學創新是如何透過不同機構之間頻繁的思想與人才交流而誕生的。

Andre：
我畢業於圖賓根大學當時新成立的奈米科學（Nano-Science）學程。這個高度跨領域的課程激發了我對各種奈米科技研究方向的興趣，也因此促使我前往劍橋大學 Ulrich Keyser 教授的研究團隊進行研究訪問，他們專注於 DNA 奈米科技與奈米孔感測。回到圖賓根後，我於 2018 年加入 Marcus Scheele 教授的研究團隊攻讀博士學位，研究重點是以自組裝奈米晶體與奈米團簇為基礎之新型奈米材料的電子與結構特性分析。特別是，我探討了對新型溶液製程半導體元件至關重要的「結構—傳輸」關聯性。在 2021 年取得博士學位後，我繼續在同一研究團隊擔任博士後研究員。

目前你們正在進行哪些研究？

Marcus：
在我職涯早期的大部分時間裡，我主要專注於新型半導體奈米晶體的合成。如今我深信，這個研究領域已經成熟到可以將這些材料實際應用於具備真實市場潛力的產品中。所謂的 Q-LED 顯示器成功上市，利用半導體奈米晶體作為高亮度彩色像素，很可能只是個開始。除了這類 LED 之外，我們研究團隊目前也投入於快速光學切換材料的研究 fast optical switching，目標應用於光學收發器。這些元件是光纖與電腦終端之間關鍵的互連介面，提升其操作速度將有助於提高資料傳輸速率。此研究計畫獲得歐洲研究委員會（ERC）起始型計畫（Starting Grant）的慷慨資助，並將持續至 2024 年。

Andre：
作為 Marcus Scheele 團隊的博士後研究員，我建立了一套用於表徵以膠體奈米晶體colloidal nanocrystals為基礎之超高速光偵測器的量測系統ultrafast photodetectors。由於膠體奈米晶體具有尺寸可調的特性，且可透過溶液製程製作，因此是光偵測器材料的極具潛力候選者，而光偵測器正是光通訊等多種技術應用中不可或缺的元件。我們實作了一種基於「泵浦—探測雙脈衝同時性光響應技術
pump–probe two-pulse coincidence photoresponse technique」並結合非同步光學取樣（asynchronous optical sampling, ASOPS）的量測方法，其中 Zurich Instruments 的 UHFLI 鎖相放大器扮演了非常重要的角色。透過此技術，我們得以解析所開發光偵測器在皮秒至奈秒時間尺度下的本徵時間響應。

Andre，你剛剛提到 UHFLI，可以再多談一些這台儀器在研究中的角色嗎？

Andre：
我們使用 UHFLI 進行超高速泵浦—探測量測ultrafast pump-probe measurements that investigate the intrinsic response time of photodetectors ，以研究設計用於光學收發器之光偵測器的本徵響應時間。我們的元件會受到兩個飛秒雷射脈衝激發，兩脈衝之間的時間延遲可變。一般而言，這個延遲是透過機械式延遲線mechanical delay line逐步改變光程長度optical path length來產生的。利用這種方式，通常可達到數百皮秒的時間延遲範圍，而泵浦—探測量測則需逐點改變延遲並記錄相應的光電響應，因此單次量測往往需要數小時。

在我們採用的 ASOPS 架構中，使用了兩台電子同步的雷射，其重複頻率之間存在一個微小的偏移量（frep + Δf），這會導致時間延遲持續累積。UHFLI 透過其週期波形分析器（Periodic Waveform Analyzer, PWA）功能，鎖定於這個失諧頻率 Δf，來執行結合 ASOPS 的泵浦—探測光電響應量測。這套系統使我們能在僅 10 ms的資料擷取時間內，實現 10 ns的延遲視窗與 10 fs的掃描解析度，因為 PWA 可以即時記錄週期性訊號。換言之，原本需要數小時的量測，如今只需幾秒即可完成。

在你看來，這個研究領域最令人期待的地方是什麼？

Andre：
光偵測器能將光訊號轉換為電訊號，這是光通訊中至關重要的能力。事實上，光學收發器正是將光纖中傳輸的光學資料轉換為可由傳統電腦處理之電訊號的關鍵元件。由於這個轉換步驟是高速通訊的瓶頸，因此對於具備高速操作頻率的材料需求極高。除了石墨烯與過渡金屬二硫族化合物等二維材料之外，低成本、可溶液製程的奈米晶體材料也成為另一項極具潛力的選擇。

你們在空閒時間喜歡做些什麼？

Marcus：
我喜歡打籃球和下圍棋。我花很多時間坐在書桌前，因此和四位隊友一起在球場上奔跑、思考如何突破嚴密防守，是平衡久坐生活的好方式。圍棋則是我最有效的放鬆方式，它也讓我學到很多關於決策的事情：在圍棋中，後悔先前的決定毫無意義，因為每一步之後都充滿新的可能性。這樣的體驗對科學職涯規劃也很有幫助，雖然其中的偶然性顯然比圍棋來得更高。

Andre：
當我不在實驗室或書桌前時，我喜歡健行、登山車、滑雪板、上健身房，或是和朋友一起吃頓晚餐。這些活動都能讓我在忙碌的一天之後好好放鬆。

Dr. Andre Maier, postdoctoral researcher in the Physical Chemistry of Nanocrystals group at the University of Tübingen, Germany

Prof. Marcus Scheele, principal investigator of the Physical Chemistry of Nanocrystals group at the University of Tübingen, Germany

Zurich Instruments UHFLI 優勢

本研究結合 asynchronous optical sampling (ASOPS) 與 two-pulse coincidence pump–probe 技術，直接量測 PbS 膠體奈米晶體紅外光偵測器的材料本徵反應時間約為  ns等級（對應 GHz 等級頻寬），證實溶液製程奈米晶體具備高速光通訊與 optical transceiver 應用潛力；其中 Zurich Instruments UHFLI 鎖相放大器透過其高速解調與 Periodic Waveform Analyzer (PWA) 功能，實現即時超快時間域量測，將原本需數小時的 pump–probe 實驗縮短至秒級，大幅提升量測效率與實驗可行性。

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參考文獻:

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.1c04938

https://www.zhinst.com/others/en/interviews/andre-maier-and-marcus-scheele