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超材料,能帮我们解决重大问题吗?
超材料是一个跨学科的课题。它囊括了电子工程、凝聚态物理、光电子学、经典光学、声学及传统材料科学等多领域的研究。
在信息技术领域,全光开关的制备主要依赖于非线性光学材料,要依靠强光去改变材料的性质,进而来控制信息光的“开与关”。但是材料中的非线性机制非常复杂,许多对非线性光学材料的研究还停留在材料试错阶段。而基于超材料的全光开关,可以通过在不改变材料自身物理性质的条件下,仅通过人为改变超材料结构单元(人工原子)的属性,使得后一束光很容易地调控前一束光的谐振模态。实验结果说明,与非线性过程相比,基于超材料的全光开关的开关速度能够提高三个量级以上,同时开关阈值可以降低四个量级以上,有望突破全光信息技术的瓶颈。
而在能源技术领域,开发能直接实现光电转换的超材料,则有望发展出光伏效应以外的光电转换的新途径。相对于传统太阳能技术中利用半导体产生光生载流子,超材料可以利用电磁波中本身的电磁场驱动实现更为直接的光电转换。周济教授团队通过设计特定超材料结构,人工增强了局域电磁耦合,利用光波中的电磁场驱动电子运动,实现光电转换。这有助于发展出光伏效应以外的光电转换的新途径技术。
新型功能材料的设计将会有怎样广阔的空间?科学家如何在更多领域推动技术的变革?这堂材料专题课,带领同学们走进这一材料科学研究的新方向,激发了同学们更多全新的思考。网页链接
引用:
2024-01-17 23:56
在过去几年的研究中,人们设计了等离子体超构表面,Si、Ge等高折射率材料的超构表面,并且实现了在平面透镜、全息成像以及结构色上的应用。为了克服材料本征的损耗,对制备材料的本身开始有了选择性,比如说TiO2、Si3N4、GaN等,也在消色差的透镜、全息投影成像以及彩色打印等功能器件上有了很成功...

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光量子lqc01-18 00:24

由麦考瑞大学(Macquarie University)科学家领导的国际合作团队引入了一种新型量子光学技术,可以提供前所未有的机会来研究半导体中光与物质相互作用的基本特性。这项研究于1月15日发表在《自然·物理学》杂志上,它使用了一种新的光谱技术来探索量子尺度上光子和电子之间的相互作用。
用于量子级联实验的装置示意图,以及光纤腔中与光物质粒子耦合的三激子束缚态的图示。束缚态改变了光物质粒子之间的相互作用,并强烈改变了发射光的性质。该研究的合著者、麦考瑞大学数学与物理科学学院的研究小组负责人托马斯·沃尔兹教授表示,这项工作有可能推动全球对可访问量子光子技术的探索取得突破。沃尔兹教授说:“我们开发了一种使用辐射量子级联的新技术,其中存储在材料中的光子沿着光与物质相互作用时产生的能级阶梯下行。即使相互作用非常微弱,导致所涉及的能级太接近而无法区分,这种情况仍然适用。”
这种能够更深入地了解量子领域的能力具有巨大的潜力。
沃尔兹教授说:“通过了解这些微小光粒子的协作方式,我们获得了对半导体等固体材料量子特性的宝贵见解”。该团队的技术,他们称之为“光子级联相关光谱”,结合了光谱滤波和光子相关分析,揭示了半导体激子极化激元之间的相互作用,激子极化激元是由光子(光)和物质(激子)组成的准粒子。合著者Lorenzo Scarpelli博士曾是麦考瑞大学的博士后研究员,现在是荷兰代尔夫特理工大学的博士后研究员,他说:“光子级联相关光谱的工作方式有点像光子的显微镜。我们创建了光子的实时图像,这告诉我们它们是否倾向于一起传播,也让我们能够提取关于它们相互作用强度的信息。”
他说,该团队的新技术使他们能够检测到涉及三个或更多粒子的复杂束缚态的相互作用,而这些相互作用以前只是理论上的。
这一发现对量子光学很重要,因为它使科学家能够直接激发和测量特定的单光子跃迁,使他们能够表征固态系统中微妙的少数粒子量子效应,并鉴定出在新应用中可能起良好作用的材料。沃尔兹教授说:“全世界都在寻找能够控制光粒子相互作用的材料,这样我们就可以构建光学晶体管、非常快速的光学开关,并且可以用单个光粒子而不是电子进行信息处理。我们实验的主体材料是砷化镓,但该技术也可以很容易地应用于其他材料,在这些材料中,我们可以期待看到类似的物理效应或行为。这项技术将使我们能够获得对固体材料量子特性的宝贵见解。”网页链接

光量子lqc01-18 00:09

半导体发光二极管(LED)具有量子效率高、结构紧凑、性能稳定、寿命长等优点,被广泛应用于节能照明及显示领域。传统的基于无机半导体材料作为发光层的LED芯片需要在高温高真空条件下外延生长,相比之下,基于溶液法在室温条件下合成的有机LED(OLEDs)、量子点LED(QLEDs)、钙钛矿LED(PeLEDs)等薄膜材料体系在开发低成本,高效LED光源方面优势显著。然而,薄膜LED发光通常具有朗伯型(Lambertian)光场分布,存在发散角较大,光束方向性差的问题。为解决这一问题, 研究者们围绕LED器件波束整形开展了大量的研究工作,有望促进其在光通讯、定向显示、光子互联等新兴领域应用。目前,改善和控制LED光源方向性的传统方法主要是使用折射型光学元件。然而,折射型光学元件体积笨重,需要外部对准,难以满足小型化光电系统的需要,如VR、AR等近眼显示设备。
超构表面是一种由亚波长结构阵列组成的人工材料,具有优异的相位、振幅及偏振控制能力,在超薄型透镜、玻片、偏振转换器、光学全息等领域具有巨大的应用潜力,其独特的二维平面结构,体积小,重量轻,与CMOS工艺兼容等优势在光电器件的片上集成方面被寄予厚望。近年来,研究者在通过集成超构表面改善LED器件光束特性方面取得了一系列重要进展,如Yeonsang Park等人通过直接在QLED顶电极构建狭缝-沟槽型超表面实现偏振与出射方向控制。然而,金属等离激元纳米结构的本征欧姆损耗会降低器件出光效率,制约了实际应用。与之相比,基于介电材料的超表面由于几乎没有吸收损耗,具有转换效率高的优势。因此,利用GaN、GaAs、GaP 等材料制备的电介质型超构表面与无机LEDs的集成方面引起了研究者的极大兴趣,并已经实现了很多成功应用。但是电介质型超表面的制备过程需要经过复杂的微纳加工环节,包括电介质材料沉积、版图加工、掩膜腐蚀、干法刻蚀等。但是,对于钙钛矿这类溶液法合成的化学敏感材料,超构表面集成过程中涉及的复杂工艺流程将使其材料性能严重退化。因此,通过优化超构表面的集成方案,使其适用于溶液法合成的薄膜型LED器件,可以在调控器件发光方向性的同时兼顾材料性能的稳定性,具有重要的实际应用意义。
成果简介
针对上述溶液法合成薄膜型LED与超构表面集成所面临的问题,本文以钙钛矿纳米晶为代表材料,开发出了一种对溶液加工型材料普遍适用的介质型超表面集成方案。我们采用在可见光区域内具有较高透过率的GaN薄膜制备超透镜,并将超透镜的焦平面设计在超透镜衬底的下表面,然后通过简单的一步旋涂工艺将化学合成的具有核壳结构 FAPbBr3/CsPbBr3钙钛矿纳米晶集成到超透镜衬底下表面。利用这一集成方案,成功实现了钙钛矿纳米晶薄膜发光光束的准直及偏振角度控制。该集成工艺巧妙避免了纳米加工过程中可能导致的材料光学质量退化,可以推广到其它基于溶液法合成的材料,如QLEDs、聚合物LED、PeLEDs,实现对LED器件的光束控制。因此,本文提出的方案紧密结合平面光学光电集成的现实应用,有望促进下一代超紧凑LED器件的开发。此外,这一集成方案与薄膜LED封装技术兼容性较好,有望实现晶圆级薄膜LED阵列和超构表面的集成,促进薄膜LED阵列在先进通信与显示方面的应用。网页链接

光量子lqc01-18 00:04

15种材料,具体为:超材料、超导材料、碳纳米管、石墨烯、钙钛矿、先进3D打印材料、二维半导体材料、负膨胀合金材料、高熵合金、高性能气凝胶隔热材料、金属有机氢化物、金属基单原子合金催化材料、量子点材料、先进光学晶体材料、液态金属。网页链接

光量子lqc01-18 00:03

钙钛矿材料作为一种直接带隙半导体材料,具有非常高的光吸收系数,是光伏电池领域的明星材料。而且,它出色的光电性能、低成本、可大面积制备以及高效的载流子迁移率使得其在LED发光领域也具有非常大的应用潜力。 然而,要想实现基于钙钛矿材料的激光二极管,一个前提是钙钛矿LED(PeLEDs)必须具备电激发放大自发发射(ASE)的能力。对于PeLEDs而言,对高电导率的要求与对器件叠层的高净模式增益的需求相冲突,成为实现电激发ASE的一个阻碍。虽然钙钛矿可以承受非常高的电流密度,但还没有研究将他们用于高强度相干光的产生。 为了解决这个问题,比利时鲁汶大学的研究团队设计出一种钙钛矿基LED,发光亮度比oled还要高1000倍。据研究人员表示,这一成果是钙钛矿注入激光器的一个关键里程碑,有望推动图像投影、环境传感和医疗诊断等应用的进一步发展。
研究团队补充道,这种新型PeLED结构为实现钙钛矿半导体光学放大器和薄膜钙钛矿注入激光器迈出了重要一步。网页链接

光量子lqc01-18 00:03

高效的纳米级光源是开发高级纳米光子电路和集成薄膜光电器件的关键。由于具有优异的光电特性,有机-无机钙钛矿杂化材料在固态照明和显示器中的地位日益突出。金属卤化物钙钛矿正在迅速发展成为可溶液加工的用于发光应用的光学材料。近日,新加坡南洋理工大学Cesare Soci,Giorgio Adamo等报道了通过采用等离激元超材料方法,基于珀塞尔效应来增强甲铵碘化铅(MAPbI3)薄膜的光致发光发射和提取。网页链接