近几十年来,纳米材料以其优异独特的物理化学性质,在发光二极管、太阳能电池、光催化、生物检测等诸多领域展现出了广阔的应用前景,并受到了人们越来越多的关注。然而,由于量子尺寸效应,与块状材料相比,纳米材料中强的库仑相互作用导致激发态弛豫及表界面电荷转移过程更为复杂,相关微观动力学机理方面的认识仍十分匮乏;这不仅影响到纳米材料的设计构筑与调控,也大大阻碍了相关的应用研发。因此,深入理解纳米材料激发态的微观作用机制,进而为相关实用研发提供机理指导,已成为该领域的核心挑战之一。为了有效应对这一挑战,合理设计模型纳米体系,结合先进谱学表征和其他物性表征,针对纳米材料所涉激发态微观动力学行为、效应和作用机制开展系统而深入的研究,从机理层面揭示其背后的本质规律,为相关体系的理性设计和实用研发提供关键的科学依据,具有重要的科学意义和实际价值。发生在纳皮秒乃至更短时间尺度上的电子/空穴的运动和能量转移等过程,是纳米材料微观动力学研究的主要内容之一。纳米材料在光激发的条件下,首先会发生快速的电子/空穴分离过程,生成热载流子,继而以散射、转移、复合等方式进行激发态弛豫,最终达到平衡。在激发态弛豫过程中,载流子往往会经历俄歇、声子瓶颈、多激子、表/界面转移等多种过程,这些一般与材料的本身特性以及激发光的能量、波长、偏振等密切相关。相较于基态行为,激发态动力学往往十分复杂。因此,为了深入挖掘和剖析纳米体系中的激发态弛豫机理信息,不仅需要理论计算模拟的支持,更需要大量高分辨谱学和动力学实验数据的支持。近年来,飞秒时间分辨的瞬态光谱技术越来越受到材料物理化学领域的重视,因其为解决材料中激发态动力学方面的挑战性难题提供了一个强有力的工具。鉴于上述研究背景,本论文工作针对若干设计构筑的具有代表性的模型纳米体系,采用以稳态/瞬态谱学为主的技术,结合多种物性/性能表征手段,开展了旨在揭示其中所涉各种激发态动力学（诸如等离激元热电子、激发态载流子、缺陷态、俄歇、载流子/声子相互作用等效应机制）的深入研究。本论文工作完成的主要研究分述如下:1、金纳米棒体系中的等离激元热电子动力学金纳米棒是一种经典的等离激元材料,它具有两种典型的等离激元共振模式,即横模和纵模。尽管前人对金纳米棒体系进行了大量的研究,但这两种模式通常都是以孤立的方式被考察,因此这两者之间的相互作用亟待探索。在本工作中,我们研究了金纳米棒中这两种模式间的相互作用,首次从实验上发现了一种由低能纵模到高能横模的能量转移通道。金纳米棒所处的介电环境在该能量转移通道的开启中发挥了关键作用,并且该能量转移的效率与金纳米棒的长径比密切相关。此外,我们还观察到了两种模式之间的动态屏蔽效应。该工作为基于等离激元热电子效应的调控研究提供了崭新的思路。2、模型纳米体系中的空穴转移动力学在光催化过程中,光激发产生的电子和空穴转移至催化剂材料的表面,诱发后继的氧化还原反应;在这个过程中,电子行为往往受到更多的关注,而对空穴行为效应的细致探究则比较缺乏。为了提高以电子为主导的光催化还原性能,人们通常加入空穴牺牲剂将光催化剂中的空穴夺走以提高电子/空穴分离效率并延长电子的寿命;此外,空穴牺牲剂常被用作探针来考察空穴主导的光催化氧化反应以及空穴转移相关的机理。在本部分工作中,我们开展了两个模型纳米体系中的空穴转移动力学相关的研究:（1）精心构筑了由金属超薄多孔导体材料CoN和空穴牺牲剂Na2S组成的模型体系,通过解读超快光谱与动力学数据,揭示了近红外光激发条件下的从费米能级到捕获态的激发态电子带内弛豫和带间复合过程,发现空穴牺牲剂的存在极大地延长了这两个过程寿命;基于此,电子/空穴分离效率得以改善,从而导致近红外光催化还原能力的大幅度提升。（2）精心构筑了光催化氧化TiO2/CH3OH的模型体系（其中CH3OH作为空穴牺牲剂）,通过解读超快光谱与动力学数据,揭示了TiO2纳米晶材料中的空穴动力学对晶面的高度依赖性,从而从超快动力学机理层面诠释了光催化氧化的晶面效应。3、模型纳米体系中掺杂诱导的缺陷态动力学就半导体纳米颗粒而言,不可避免存在的缺陷也往往对其光电特性产生不可忽视的影响;因此,人们通常在半导体纳米晶体中故意引入一些杂质原子去改变材料本身固有的性质（甚至带来新的性质）。在这部分工作中,我们研究了模型纳米体系中与缺陷态密切相关的超快动力学:（1）Zn掺杂CdTe量子点:我们系统地研究了微掺杂Zn的CdTe量子点原型系统中元素掺杂诱导的效应,发现在CdTe量子点中,轻微的Zn掺杂可以通过改变近带边和局域表面陷阱态的态密度而极大地影响所涉及的载流子弛豫动力学。此外,这种轻微掺杂对量子点系统的光还原效率（特别是与局域表面陷阱态相关的光还原效率）以及所涉及的弛豫/反应活化能和声子效应具有相当重要的调节作用。（2）单原子Cu掺杂聚合物C3N4体系:在该工作中,通过超快光谱与动力学表征和解析,发现C3N4层间和面内同时引入单原子Cu可为电子转移打开新通道,从微观动力学机理层面解释了该体系中的光生载流子分离效率及光催化效率提高的原因。（3）N缺陷和单原子Cu共掺杂聚合物C3N4体系:在该工作中,设计构筑了 C3N4中具有协同作用的双缺陷,通过超快光谱与动力学表征和解析,揭示了双缺陷协同作用对C3N4载流子动力学的重要影响,为相关光催化性能的提升提供了启发和指导。4、模型纳米体系中表面工程抑制俄歇复合动力学俄歇复合是一种非辐射的载流子复合过程,它往往导致载流子数量的损失和材料量子产率的降低,已成为制约材料光电性能提升的重要因素。为了抑制俄歇过程,人们通常会采用表面工程对材料的表面进行改性。在这部分工作中,我们以CsPbBr3量子点模型纳米体系作为研究主体,从两方面细致考察了表面配体与俄歇效应的关系:（1）在油酸长链分子和辛酸短链分子作为配体修饰的量子点体系中,发现短链修饰情形具有更长的电声散射寿命,导致热载流子寿命的延长。短链配体诱导产生的受限载流子不仅具有可观的量子产率,而且具有更好的抑制俄歇的能力。此外,还发现在高能量光激发下量子点会产生一个中间态,短链修饰情形的中间态具有更多的载流子布居,表明短链配体可通过增强中间态的载流子存储来缓解带边载流子的聚集,进而降低带边载流子之间的库仑相互作用。（2）在该合作工作中,采用混合配体钝化量子点表面的方法减少缺陷和提高载流子迁移率,从而显著抑制钙钛矿发光二极管器件效率的下降、极大提高其荧光量子产率;通过超快光谱与动力学表征,结合荧光光谱表征,揭示了表面工程可有效钝化表面缺陷,提高辐射复合速率、抑制非辐射俄歇复合,从微观动力学机理层面解释了器件效率提高的原因。