飞秒级时间分辨化学选择性光谱揭示赤铁矿与铝氧化还原反应的超快电荷转移机制

这篇研究采用飞秒级极紫外时间分辨吸收光谱(EUV tr-XAS)，在Fe M2,3和Al L2,3吸收边实现了铝/赤铁矿(α-Fe2O3)纳米复合物热反应(MICs)的化学选择性观测。通过超短激光泵浦激发和元素特异性探测，首次捕捉到局域化电荷载体(极化子)形成及铝→赤铁矿的电子转移过程，为高能材料电荷流动研究和超快化学反应机制提供了新范式。

　　

超快光谱技术突破热反应观测极限

热反应作为金属与氧化物间的高能氧化还原过程，在焊接、推进器和先进材料制备中具有关键应用。当反应尺度降至纳米级时，其能量性能显著提升，但超快动力学机制始终未明。本研究通过飞秒级极紫外时间分辨吸收光谱(EUV tr-XAS)，在Fe M_2,3边(54-58 eV)和Al L_2,3边(73-76 eV)实现了铝/赤铁矿体系的元素特异性观测，揭示了从皮秒到飞秒尺度的完整反应链条。

泵浦-探测动力学揭示材料相变

实验采用785 nm飞秒激光(80 fs，0.9 J/cm²)激发样品，通过FERMI自由电子激光器(FEL)实现化学选择性探测。瞬态吸收谱显示：铝层在1.45 ps内完成电子-声子耦合，表现为典型的自由电子气特征；而赤铁矿在3.0 ps内形成小极化子，源于载流子与光学声子的相互作用。值得注意的是，56.49 eV处的双指数衰减(τ₁=0.1 ps，τ₂=40 ps)直接关联极化子形成动力学。

基底效应揭示界面电子转移

通过对比赤铁矿/铝与赤铁矿/聚对二甲苯样品，发现零交叉点蓝移存在显著差异：前者仅0.1 eV而后者达0.2 eV。结合OCEAN代码模拟的Fe M_2,3边静态吸收谱，证实该差异源于铝向赤铁矿的电子注入。这种界面电荷转移在热反应启动阶段(＜5 ps)即已完成，与第一性原理分子动力学预测的Fe-O键断裂时程相符。

铝L边光谱见证化学键重组

Al L_2,3边的瞬态光谱显示连续蓝移，与α-Al₂O₃模拟谱的6 eV蓝移趋势一致。但由于铝层厚度(100 nm)远大于界面反应区，该信号主要反映材料的等容加热效应——激光激发导致晶格崩溃，在27.8 ps内形成纳米颗粒，使探测体积内铝原子减少约8%。

方法论创新与未来方向

研究团队在FERMI的EIS-TIMEX线站实现了破坏性泵浦-探测测量，通过单次射击的栅格扫描策略克服了样品烧蚀难题。未来可通过硬X射线探测、外加电场调控或样品封装设计，进一步解析体相反应动力学。这项工作不仅建立了研究高能材料电荷流动的新方法，更为理解超快化学反应的界面机制提供了原子级视角。