基于内场发射原理的无载流子注入型量子点发光器件光电研究

工作于无载流子注入工作模式下的量子点电致发光器件因其简单的结构而受到关注。由于没有外部载流子参与电致发光,揭示该器件稳定工作时所需载流子的来源对于理解器件工作机理、优化器件结构具有重要价值。文章研究了多层量子点薄膜在无载流子注入工作模式下的光电特性,实验结果表明:发光强度会随着交流驱动电压的幅度的增加迅速增加到一个最大值,然后逐渐降低;同样地,发光强度会随着交流驱动频率的增加而增加,然后逐渐降低。此外,在不同电压和频率下该发光谱具有完全相同的中心波长和半峰宽。结合量子点之间存在的绝缘有机配体环境,提出了基于内场发射原理的多层量子点无载流子注入发光模型。该研究有望为获得先进量子点发光技术提供参考。

面向海洋的水下图像处理与视觉技术进展

水下观测是探索海洋最直观的手段之一。受水下光学特性、声学特性以及杂波、水生生物等的影响,水下观测中所采集的图像并不总能满足观测需求。如何对水下图像进行有效的处理、分析与应用是一个具有挑战性的课题。尽管图像处理与计算机视觉技术已在大气环境中得到广泛研究,但鉴于成像原理、应用背景等方面的差异,针对大气自然图像提出的算法无法直接移植到水下任务中,而针对水下场景提出的视觉应用仍存在对任务背景考虑不足、泛化性差等缺陷。本文面向光学图像以及声学图像这两类水下观测的主要手段,从图像特性入手,首次以任务为导向、以需求为脉络,通过梳理国内外成功的水下图像处理、质量评价案例,对水下观测方案的工作思路进行了更完备的总结与分析。此外,本文围绕水下机器视觉应用探讨其发展进程,详细讨论与展望了相关领域的前景与优化方向,为突破海洋视觉应用的瓶颈,建设智慧海洋系统带来新思路。

表面配位金属-有机框架薄膜HKUST-1在光电应用中的研究进展

金属-有机框架(MOFs)作为一种无机-有机杂化材料,由于其结构的多样性和独特的功能而在众多领域有着潜在的应用价值。尤其是液相外延层层组装的MOFs薄膜(称为表面配位MOFs薄膜,SURMOFs)因其具有可控的厚度、优选的生长取向以及均匀的表面等优点备受关注。本文总结了液相外延(LPE)层层组装MOFs薄膜的技术方法,如层层浸渍法、层层泵式法、层层喷雾法、层层旋涂法等组装方法,并介绍了经典的SURMOF HKUST-1的层层组装策略以及其在光致发光、光致变色、光催化以及电催化方面的相关应用。HKUST-1是经典的SURMOF材料之一,在光电领域具有广泛的应用,SURMOF HKUST-1具有以下独特的性能:可以作为发光载体实现良好的光学性能;具有独特的Cu催化活性位点的优势,有效地降解水中的污染物;因其具有介电特性而在电子器件方面有着潜在的应用。虽然HKUST-1在许多方面均具有独特的性能,但也面临着一些挑战:需要将薄膜的合成步骤简单化;薄膜结构和电催化行为间的机理也需要进一步的研究;降低HKUST-1的内阻的方法也需要进行改进。SURMOFs在大规模工业应用和扩展到其它未探索的领域还任重道远。

基于量子点@有序介孔复合材料的Micro⁃LED色转换特性

量子点(Quantum dots)由于具有优异的光电特性,广泛应用于发光与显示、太阳能电池、光催化等领域,它的发现和合成获得了2023年诺贝尔化学奖。采用量子点色转换的Micro-LED全彩化显示技术无需巨量转移,有望实现大规模量产,然而,量子点在高强度Micro-LED出光激发下的性能和寿命仍存在局限。基于此,本文研究了基于量子点@有序介孔(QDs@SBA-15)复合材料的Micro-LED色转换技术及其特性,有序介孔分子筛载体独特的孔道结构不仅能够有效提升Micro-LED色转换和光提取效率,且致密的有序介孔材料也一定程度上保障了量子点的稳定性。首先,通过时域有限差分方法(FDTD)建立了Micro-LED仿真模型,探究量子点粒径和有序介孔材料的孔径对光提取效率的影响;基于仿真结果指导,进一步采用物理共混法制备了QDs@SBA-15复合材料,通过透射光谱、荧光激发光谱、紫外-可见光吸收谱等手段对其进行表征并确定浓度配比;最后,将该复合材料与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合固化成膜,并研究了其光致发光性能。实验结果发现,量子点粒径和介孔材料孔径的匹配度以及量子点和有序介孔材料的比例浓度是影响QDs@SBA-15复合材料发光效率及Micro-LED色转换性能的关键因素;通过优化,所得复合材料可获得优异的发光性能以及良好的环境稳定性,相比于纯量子点色转换层,复合材料的光提取效率提升了81.73%,复合材料的环境稳定性提升了14.33%,以Micro-LED作为蓝光光源组成的三基色发光器件工作色域达到了104.52%NTSC。本研究为量子点色转换Micro-LED显示技术提供了理论指导,为实现Micro-LED全彩化开辟了新路径。

1.74μm大应变InGaAs/InGaAsP半导体锁模激光器

针对光频梳、医学光声成像及痕量气体探测等应用需要,研制了一种InP基碰撞锁模半导体激光器,可在1.74μm波段实现重复频率为19.3GHz的高效锁模,其射频(RF)谱半高全宽(FWHM)约14kHz。在可饱和吸收区未加偏压时,激光器的阈值电流为83mA,最大出光功率可达到25.83mW。固定吸收区偏置电压在-1.6V,增益区驱动电流高于130mA时,锁模激光器开始输出微波射频信号,并且RF谱的FWHM随着电流增加可下降至十几kHz。固定驱动电流为520mA,在吸收区偏置电压从-1.4V降至-2V过程中,激光发射光谱逐渐展宽,在-2V偏压下,光谱的FWHM为9.88nm,包含40多个间隔为0.2nm的纵模。对比分析了不同驱动电流和偏置电压下的射频频谱和发射光谱的变化趋势,证明了该锁模器件具有高效、稳定的锁模机制。

基于紧凑型Nd∶YAG/PPMgLN模组的561 nm基模激光器

本文提出了一种非线性晶体的切角方法,通过切去谐振腔中掺氧化镁周期极化铌酸锂(PPMgLN)晶体输出端面的一角,改变输出端面的激光模式分布,从而实现了稳定的561 nm黄光激光的基模输出。利用有限差分本征模法,仿真出各种切角方案输出端面的激光模式分布,讨论其输出基模的原理,并通过实验测出各方案输出功率随泵浦功率的变化曲线。结果表明,当抽运功率为4.8 W时,实现了最高121 mW的基模输出,光-光转换效率为2.6%,中心波长为560.95 nm,半峰全宽为0.92 nm,3 h内波动性小于1.91%。与已报道的实验结果对比,该实验结果具有更小的结构尺寸,为紧凑型基模激光器提供重要参考。

偏振光复用的液晶体光栅波导AR近眼显示系统

光波导组合器在增强现实显示的出瞳扩展和外观薄化方面颇具优势。出瞳扩展技术是通过在耦出区域诱导多次衍射,将光线引导至人眼。然而,这种多次衍射可能导致出瞳亮度在沿光路径的空间分布上逐渐减弱,从而造成亮度不均。特别是当使用液晶制备而成的偏振体全息光栅作为耦合元件时,由于光栅仅对一种圆偏振光敏感,与之正交的圆偏振光会被直接透射,导致波导系统的能量利用率并不高。针对这一挑战,本文提出了一种实现左旋和右旋圆偏振光复用的偏振体全息光栅光波导AR显示光学系统,同时实现了大出瞳尺寸和良好入眼均匀性。在理论设计和仿真方面,首先通过k空间理论设计了大视场角下的光栅结构,再以微型发光二极管(Micro-LED,μLED)作为微显示屏,设计了一套与之匹配的投影镜头,并对整个波导系统进行了成像仿真。在实验部分,制备了中心波长为532 nm、出瞳尺寸为45 mm×25 mm的偏振体全息光栅波导。实验结果显示,该波导系统在基板折射率为1.51下的对角线视场角达到了预期的32.86°。相比于仅响应单一圆偏振光的方案,采用九点法测得的均匀性提升了48.8%,整体均匀性提升了34.1%,波导组合器的光学效率也实现了1.2倍的提升。本文工作为偏振体全息光栅波导的设计提供了宝贵的指导和参考。

无机纳米发光材料研究展望:如何走出自己的舒适区?

无机纳米发光材料由于其独特的发光性质,具有广泛的应用前景。本文结合作者的科研经历,展望了无机纳米发光材料未来的发展机遇和挑战,聚焦该领域前沿“痛点”和“冷门”,探讨研究工作如何面向国家重大需求。倡议科学家应走出自己的研究舒适区,树立自己的标签性工作,共同推进无机纳米发光材料研究的可持续发展。

Cu含量对UNS S33207特超级双相不锈钢组织、抗菌性和耐蚀性的影响

通过向UNS S33207特超级双相不锈钢中添加不同含量的Cu并经固溶加抗菌时效处理,制备不同类抗菌特超级双相不锈钢材料。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、覆膜法、ICP-MS质谱检测仪、电化学测试等方法研究Cu含量对UNS S33207组织、抗菌性和耐蚀性的影响。研究结果表明,富铜相析出量随着Cu含量的增加而增多;当Cu含量低于2.55%(质量分数)时,富铜相优先在铁素体及相界析出,进一步增加Cu含量,奥氏体也会析出富铜相;铁素体中析出的富铜相的尺寸为几十纳米,形态呈球状或椭球状,具有稳定的FCC结构,与基体为非共格关系。随Cu含量的增加,Cu离子溶出率增大,抗菌性能提高,且其抗菌率随与菌液作用时间的延长而增大。富铜相会成为钝化膜中的薄弱点,其含量越多,耐蚀性能越差,因此,在确保正常相关性能时,Cu含量要适当。

聚苯胺/木素复合膨胀剂的制备及其在铅酸电池中的应用

制备了聚苯胺/木素复合膨胀剂并应用于铅酸电池的负极中,研究了聚苯胺的含量对复合膨胀剂电化学性能及铅酸电池高倍率部分荷电状态(HRPSoC)下循环寿命的影响。结果表明聚苯胺/木素复合膨胀剂相对于木素,具有更高的析氢过电位。复合膨胀剂应用于铅酸电池负极中,改善了负极在高倍率部分荷电状态下运行的"硫酸盐化"问题,延长了铅酸电池的循环寿命。当聚苯胺/木素复合膨胀剂中聚苯胺与木素的质量比为2∶1时,铅酸电池的循环寿命高达2516次,比仅用木素作为膨胀剂的电池提高了2倍以上。

稀土光学晶体研究新进展

稀土光学晶体是一类重要的高端光学材料,是指稀土元素可以完整占据结晶学结构中某一格点的光学晶体,在军事国防、国民经济和科学技术领域等方面具有重要的应用。稀土光学晶体的研究以稀土离子特性和相图分析为基础,结合结晶生长的化学键合理论,确定材料组分、晶体生长方法和工艺参数等,获得大尺寸单晶体。对稀土离子发光原理、典型稀土光学晶体的组成设计以及若干稀土光学晶体类型的发展情况进行简介,并综述了近几年面向不同应用领域的稀土光学晶体材料的研究新进展。稀土光学晶体材料的研发是实现稀土资源高质量发展的重要途径,需要多学科交叉领域的协同发展。

粉末紫外二阶非线性光学性能测试研究

为测定粉末材料的紫外波段二阶非线性光学特性,根据Kurtz-Perry粉末倍频效应理论,开展了紫外粉末二阶非线性光学性能测试的研究。测试光源为氙灯泵浦的Nd∶YAG-KTP电光调Q激光器,KTP为二倍频晶体,输出波长532 nm,单脉冲能量100 mJ,重复频率1~10 Hz,脉冲宽度为8 ns。为保证266 nm光的透过率,采用紫外融石英做窗口片,型号为JGS1;为保证测试的准确性,选择光栅光谱仪分光。经紫外常用的KDP、LBO、BBO等测试,证明本方法具有稳定可靠、判别精度高、操作简单等优点,可以有效地定性或半定量测试材料的紫外二阶非线性光学性能,为研究紫外二阶非线性光学材料提供了一种重要的测试手段。

La3Si6N11∶Ce^3+荧光玻璃陶瓷及其在高功率固态照明中的应用

面向市场对高功率照明的强烈需求,兼具优良光学和热/化学稳定性的全无机荧光玻璃陶瓷正蓬勃发展。本文基于低温共烧技术制备了一种镶嵌La3Si6N11∶Ce^3+(LSN∶Ce)荧光粉的硅基氮化物玻璃陶瓷荧光转换材料。研究表明,共烧时玻璃组分对LSN∶Ce荧光粉侵蚀作用较小,荧光粉结构未受明显破坏,因而其荧光特性基本得以保持——量子效率为79%,150℃下荧光积分强度仅下降~14%。构建的高功率白光LED光源在350 mA电流驱动下,光效为54.8 lm/W,色温为5712 K,显指为70.1,色坐标为(0.3280,0.3690)。构建的激光照明光源在0.8 W蓝光激光激发下,光通量为118.48 lm,色温为7427 K,显指为56.2,色坐标为(0.2982,0.3226)。我们推断,在高功率蓝光激光激发时,LSN∶Ce荧光玻璃陶瓷中发生了热饱和与光饱和现象。经进一步的材料组分、制备工艺以及器件结构优化,LSN∶Ce荧光玻璃陶瓷可望应用于高功率照明领域,如汽车大灯和探照灯等。

Sr_(3)Gd(BO_(3))_(3)∶Dy^(3+)/RE^(3+)(RE=Tb,Eu)晶体的生长、发光性质及能量传递

黄光激光在医疗美容、原子冷却与捕获、激光雷达等领域具有潜在的应用前景,因此,黄光激光器的研究具有重要意义。Dy^(3+)因其^(4)F_(9/2)→^(6)H_(13/2)辐射跃迁而成为黄光激光的最佳激活离子,但是其在可见光波段为自旋禁戒跃迁,导致其吸收截面和发射截面都很小,从而引起黄光激光输出困难。本文通过提拉法成功生长了Dy^(3+)∶Sr_(3)Gd(BO_(3))_(3)(缩写Dy^(3+)∶SGB)、Dy^(3+)/Tb^(3+)∶SGB和Dy^(3+)/Eu^(3+)∶SGB晶体,通过室温偏振吸收谱、发射谱、荧光衰减曲线以及Judd-Ofelt理论计算分析了其光谱性能和能量传递机制。研究表明,共掺Tb^(3+)和Eu^(3+)增大了Dy^(3+)在黄光波段的发射截面和荧光量子效率,有利于Dy^(3+)的黄光输出。此外,证明了Dy^(3+)/Tb^(3+)∶SGB晶体中发生了Dy^(3+)和Tb^(3+)之间相互能量传递过程,Dy^(3+)/Eu^(3+)∶SGB晶体中仅有Dy^(3+)→Eu^(3+)的能量传递过程。

锰(Ⅱ)配合物发光材料与器件研究进展

发光材料在照明和显示等领域应用广阔,寻求环境兼容、低成本和高效率的发光新材料意义深远。磷光锰(Ⅱ)配合物以其出色的发光效率、低成本和低毒性而备受关注。锰(Ⅱ)配合物的磷光发射产生于自旋禁阻的d-d跃迁,其发光特性主要取决于配体场的类型与强度。锰(Ⅱ)配位场对外界刺激相当敏感,易于发生变化,并直接影响其光物理性质,由此可实现发光颜色的可逆转换与调控。结合本课题组对磷光锰(Ⅱ)配合物的设计及其光致发光和电致发光性能的研究工作,本文综述了近年来卤化锰(Ⅱ)配合物发光材料和各种具有刺激响应发光变色效应的锰(Ⅱ)配合物及其在电致发光器件中的应用研究进展,并展望其发展前景及面临的挑战。

基于储备池计算网络的小样本图像分类方法

针对目前小样本学习方法易过拟合、跨域泛化能力不足等问题,受启发于储备池计算不依赖于训练而缓解过拟合的特性,提出了一种基于储备池计算的小样本学习方法(Reservoir Computing based Network for Few-shot Image Classification,RCFIC)。整个方法由特征提取模块、特征增强模块和分类器模块构成。特征增强模块由储备池模块和基于储备池的注意力机制构成,分别对特征提取网络的特征进行通道级增强和像素级增强,同时联合余弦分类器促使网络学习具有高类间方差、低类内方差特性的特征分布。实验结果表明,本文算法在Cifar-FS、FC100、Mini-ImageNet等数据集上的分类精度至少比现有方法高1.07%,在从Mini-ImageNet到CUB-200的跨域场景设置下的分类精度优于次优方法1.77%。同时,消融实验验证了RCFIC的有效性。所提方法泛化性强,能够有效缓解小样本图像分类中的过拟合问题并在一定程度上解决跨域问题。

Lu_(2)SrAl_(4)SiO_(12)∶Ce^(3+)荧光玻璃陶瓷膜-蓝宝石复合材料及其激光照明应用

“激光+荧光转换材料”产生强白光的方案已成为当下照明领域的研究热点之一。本文基于低温共烧技术制备了一种镶嵌Lu_(2)SrAl_(4)SiO_(12)∶Ce^(3+)(LSAS∶Ce^(3+))荧光粉的玻璃陶瓷膜-蓝宝石复合材料。研究表明,共烧时LSAS∶Ce^(3+)荧光粉受到的热侵蚀较少,共烧前后量子效率(~90%)未发生显著变化;并且该材料具有十分优异的抗热猝灭性能,~300℃时荧光积分强度仍保持了室温下的~70%,远优于YAG∶Ce^(3+)商用荧光粉。当蓝光激光功率密度达到3.0 W/mm^(2)时,材料产生发光饱和,此时光通量为100.49 lm,满足室内照明需求。我们推测,热致饱和与光致饱和是发光亮度无法进一步提升的原因所在。相信通过材料组分、制备工艺的优化和光场调控手段的引入,可进一步提高发光亮度,使之适用于户外照明。

风能收集型摩擦纳米发电机研究进展

有效地将自然界中的能量转换为电能对于构建环境友好型社会具有重要意义。摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)是一种新型的机械能-电能转换装置,可实现将微弱机械能高效地转换为电能。在自然界众多的机械能中,风能因其分布广和储存量大而受到广泛关注。近年来,将风能高效率地转换为电能是TENG技术的研发重点之一。研究人员对此展开了细致的研究工作,获得大量研究进展。一般说来,风能收集型TENG的研究内容主要包括器件结构优化、摩擦起电材料的物理与化学改性以及电源管理电路设计优化。针对这些研究内容,详细介绍了近年来TENG在收集风能方面的研究进展,剖析存在的问题,并对其未来的应用和发展进行了展望。

基于级联PPMgLN晶体的双倍/三倍频双波长激光器

本文演示了紧凑的绿色和近红外双色连续波激光光源,其发射波长分别为516 nm和775 nm。设计并制造了级联的周期性极化掺镁铌酸锂晶体,用于同时转换通信波长的二次谐波(SHG)和三次谐波(THG),可以在相同温度下获得绿色和近红外激光的输出。通过建立一个单程激光测量系统,在2 W泵浦功率下获得516 nm的0.15 mW绿光和775 nm的1.19 mW的光,晶体温度控制在30.8℃。实验结果将为单激光器泵浦的紧凑型双波长共线激光器提供重要的案例。

六方、立方氮化硼的制备和热传导性质研究进展

随着微电子技术的不断进步,电子芯片集成化电路越来越密集。性能提高的同时,其内部热流密度不断攀升,对电子器件的散热能力提出了更高的要求。低热耗散材料严重制约了电子设备的性能和功效,有效的热传递和热管理已成为下一代微处理器、集成电路、发光二极管等设备稳定工作的重要保障,因此亟需具有更高热导率的半导体材料以提高电子器件的使用寿命。近年来,六方氮化硼(h-BN)和立方氮化硼(c-BN)引起了人们极大的研究兴趣,h-BN具有与石墨类似的层状晶体结构,常被称为“白石墨”,散热、绝缘性能良好;而c-BN为闪锌矿结构,具有类似于金刚石的晶体结构,热导率仅次于金刚石,是第三代半导体中禁带宽度最大的材料。研究表明,2种晶体均具有良好的导热性能,可成为新一代电子芯片散热材料,是当前热管理领域的研究热点。本文对h-BN薄膜和c-BN单晶制备方法的研究进展进行了综述,介绍了h-BN和c-BN热传导性质的研究成果,并对h-BN和c-BN面临的挑战和未来的发展方向进行了展望。