受大自然光合作用启发,为了直接通过太阳能光催化实现富含能源化合物的转化,很多具有不同电子能带结构的半导体材料的人工光合成催化系统被设计出来并得到了很好的研究,该光催化体系涉及多个反应空间位点,跨多个时间尺度的电荷转移与分离过程。催化效率的提高与光吸收效率,电荷转移分离效率以及界面催化效率都有直接的关系。为进一步优化材料设计与构建,本论文中,我们利用多时间尺度的时间分辨光谱技术,通过研究半导体光催化材料的光生电荷的动力学行为,揭示影响光生电荷的转移与分离效率的因素。ZnO是一种光电领域广泛使用的半导体材料,其常见的晶体结构为六角密排结构,为极性半导体,内部存在极化电场。室温下,ZnO带隙为3.37 e V,与光催化原型材料Ti O2具有很多相似的特性,但是它们的催化性能却有很大的差异。基于ZnO应用的广泛性以及其中诸多不确定的催化机制,本论文将利用超快时间分辨光谱技术,系统性研究ZnO基光催化材料的载流子动力学,希望从系统的分析揭示出其内在的微观机制。具体的研究成果有如下几个方面:（1）金属半导体异质结被认为有助于促进电荷分离和催化活性的提高,尤其是对于Ti O2与贵金属助催化剂构成的金半异质结,光生电子的寿命被延长到了一到二个数量级。但是对于半导体ZnO和贵金属助催化剂的选择性方面一直没有形成定论。因此,我们利用时间分辨光谱研究ZnO与贵金属助催化剂纳米颗粒之间的电荷转移和分离效率问题。我们发现:对于欧姆接触的Ag-ZnO纳米颗粒,光激发产生的类自由电子的载流子从ZnO转移到Ag,转移速率为1/14.1 ps-1。而在肖特基接触的Pt-ZnO以及Au-ZnO体系中却没有观测到上述载流子转移过程,可能的原因是肖特基接触形成的界面处的势能面弯曲不利于电子的转移,并进一步导致从浅束缚态转移到贵金属助催化剂的速率非常慢,在1/10 ns-1左右。在此基础上我们提出一种双金属助催化剂的构型,一种金属用于促进电荷分离,另一种金属负责催化反应效率的提高。我们的结果提供了一种贵金属助催化剂新思路。（2）极性晶体和离子晶体中导带的电子和与其结伴而行的晶格畸变的复合体称为极化子。导带中的电子使晶格离子位移而伴生极化,其电场又反作用于电子,电子总是带着它所引起的晶格畸变一起运动。半导体中,光激发后形成的极化子能够进一步形成载流子,而载流子的寿命又决定了光催化材料的催化效率。ZnO的本征缺陷氧空位中的电子与周围的晶格会发生耦合并形成极化子态,基于此,我们应用飞秒时间分辨光谱研究了单晶ZnO的极化子激发态的动力学行为。为了同时实现超快的时间分辨和具有能态选择性地的激发和探测,我们利用激发能量扫描-宽频域光谱探测的飞秒时间分辨光谱研究了单晶ZnO中与氧空位有关的极化子激发态的动力学。我们发现当激发能量低于带隙（3.37 e V）并高于在3.18 e V时,价带电子被激发到位于导带下方的浅束缚态。这些浅束缚态电子的动力学中没有发现声子耦合的振荡行为。当激发能量进一步减小,将从带间氧空位激发出能级位于导带内的极化子态。极化子态的动力学上叠加的频率为50 GHz量级的振荡信号说明电子和周围声学声子的耦合。并且我们的红外瞬态吸收光谱探测到了极化子态向导带注入电子约1 ps的过程,最后注入的电子经过捕获后,在很长的时间内才发生复合。相比于带间激发,由极化子态驰豫到导带而产生的载流子的寿命有了很大的提高,有利于后续的光催化反应。