往事回首——人工微结构和介观物理国家重点实验室初期的回忆

1985年底或1986年初，北京大学丁石孙校长找我说：现在国家要建设一批国家重点实验室，推动基础科学和前沿科学的研究。南京大学、复旦大学、山东大学等都开始了凝聚态物理方面的重点实验室建设，学校也认为要在原来物理系的固体物理所的基础上争取建设一个国家重点实验室。

基于新奇物理现象的智能光子芯片

近年来,新材料结构、新理论观点、新器件架构等各个前沿方向的通力合作促使了智能光子学的迅猛发展。具有优异非线性特性的光学平台奠定了光子芯片丰富性能的基础,非厄米拓扑光子学等新理论的引入为高性能片上处理方案开辟了新的可能性,各类光学神经网络架构的新器件也为全光计算及全光大规模集成提供了有效的实现途径。基于上述背景,文章介绍了近年来对于智能光子学发展至关重要的非线性材料、非厄米拓扑光子学以及基于光学神经网络的新器件架构等领域的研究进展,并指出相关研究的发展对于未来更大规模、更高集成度、更复杂计算性能的智能光子芯片的实现将产生深远影响,在全光计算、全光信号处理、量子技术等领域有广泛的应用前景。

量子阱结构对GaN基紫光二极管性能的影响

采用不同MQW结构在MOCVD系统上生长UV-LED外延片。对样品进行了X射线衍射、电注入发光(EL)和光致发光谱(PL)测试,通过优化LED器件材料的生长条件,获得了光发光特性一般而电发光特性优良的高质量多量子阱紫光LED外延片。

基于金属狭缝结构的表面等离激元全光调控

表面等离激元是束缚在金属-介质交界面上的一种电磁波模式,可突破衍射极限,被认为是下一代集成光子回路最有希望的信息载体。就几种表面等离激元金属狭缝结构的原理和应用做了简单概述。利用法布里-珀罗谐振腔、法诺共振、多模干涉等光学效应,这些金属狭缝结构可对表面等离激元的传输行为进行有效地调控。在理论和实验上,利用金属狭缝结构实现了亚波长表面等离激元单向激发器、亚微米宽带单向激发器、亚微米分束器、超紧凑纳米聚焦器件和亚微米全光开关等纳米光子器件。这些纳米光子器件在纳米集成光学中具有重要应用。

Al_xGa_(1-x)N/GaN异质结构中二维电子气的自旋性质

Ⅲ族氮化物材料有很长的电子自旋弛豫时间以及很高的居里温度,成为近年来半导体自旋电子学研究的重要材料体系之一。介绍了目前两种最主要的研究AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气(2DEG)自旋性质的物理效应:磁电阻的舒伯尼科夫-德哈斯拍频振荡和弱反局域效应,回顾了AlxGa1-xN/GaN异质结构中2DEG自旋性质的研究进展。AlxGa1-xN/GaN异质结构材料中有很强的极化电场,诱导产生很高浓度的2DEG,能够产生相当大能量的自旋分裂,并且这种自旋分裂可以被栅压所调控,因此在自旋场效应晶体管方面有很好的应用前景。然而要实现GaN基自旋电子学器件的应用,GaN中自旋注入效率是目前所面临的问题。

量子阱结构对GaN基紫光二极管性能的影响

采用不同MQW结构在MOCVD系统上生长UV-LED外延片。对样品进行了X射线衍射、电注入发光(EL)和光致发光谱(PL)测试,通过优化LED器件材料的生长条件,获得了光发光特性一般而电发光特性优良的高质量多量子阱紫光LED外延片。

线形拟合在X射线衍射研究GaN薄膜材料结构时的必要性

利用高分辨X射线衍射仪(XRD)分析了长时间退火前后的GaN样品.通过对各个样品的(0002)面摇摆曲线进行线形拟合及分析,发现虽然退火后摇摆曲线的半峰宽变大,但面外倾斜角(tilt)的值却变小,从而螺型穿透位错(TD)密度变小,这与化学腐蚀实验的结果一致.我们的结果表明,线形拟合在利用XRD研究GaN薄膜材料结构的过程中是十分必要的,而不能用摇摆曲线的展宽直接表征TD密度.

纳米压印制备的光子晶体结构对AlGaN基材料深紫外出光效率的提高

通过利用阳极氧化铝的方法制备高度有序的光子晶体结构作为纳米压印模板,将大面积光子晶体图案转移到了样品表面,解决了国际上小尺寸光子晶体制备困难的问题。采用纳米压印的方法在AlGaN基样品表面上制备了290 nm的周期光子晶体结构,并将表面具有光子晶体结构的AlGaN基样品正面出光强度提高121%。偏振特性的实验结果表明六角排列的孔状光子晶体将原来朝向样品侧面传播的TE偏振光偏折转向正面,从而增加光抽取效率,改变出光偏振度。指出远场角分辨图案的变化归因于光子晶体对出光的衍射和Bragg散射效果。实验中采用的创新性工艺可以用来制备具有高出光效率的深紫外发光二极管。

具有空间结构的强激光场与原子相互作用 研究的新进展(特邀)

随着超快超强激光技术的发展,强激光场光与物质相互作用的研究得到了广泛的关注。与此同时,光场调控技术在经典光学领域中的快速发展为光学操控提供了一个新的自由度。近年来,这两个不同领域之间的结合——具有空间结构的强激光场与物质相互作用,成为了强场物理前沿研究的热点之一。光电离和高次谐波是传统强场科学中两个十分基本又非常重要的物理过程。本文总结和综述了涡旋强激光场对光电离过程的影响和控制方面的研究进展,以及利用涡旋光束或者柱矢量光束驱动气体高次谐波产生等方面的最新工作,最后展望了具有空间结构强激光场与物质相互作用物理和光场调控研究的发展方向。

绿色单峰发光聚(9,9-二烯丙基芴)的合成及其发光机制

为了得到绿色单峰发光的聚合物材料,我们设计并合成了9位取代的二烯丙基芴单体,在NiCl2的催化下,合成了可溶的聚芴衍生物,聚(9,9-二烯丙基芴)(PAF).较短的烯丙基链既可以增加聚芴的溶解度,双键的存在又有利于聚芴发生分子间聚集而得到绿光发射的有机电致发光器件(OLED).PAF在溶液和薄膜状态下的荧光峰分别位于403和456 nm的蓝光区域,而其器件ITO/PEDOT:PSS/PAF/LiF/Al(其中,ITO为氧化铟锡,PEDOT为聚(3,4-乙撑二氧噻吩),PSS为聚苯乙烯磺酸盐)的电致发光峰却红移至绿光区域(532 nm),得到绿色单峰发光.紫外吸收光谱、荧光发射光谱、红外光谱以及原子力显微镜(AFM)图像的结果证明,造成PAF电致发绿光的机制为聚合物分子间聚集.

多缓冲层对MOCVD生长的GaN性能的影响

采用多低温缓冲层法和高低温联合缓冲层法在 MOCVD系统上生长 Ga N外延膜 .对薄膜进行了 X射线衍射和光致发光谱 (PL)测试 ,(0 0 0 2 ) X射线摇摆曲线和 PL 谱的半高宽与常规的单低温缓冲层法制备的薄膜相比均有不同程度的改善 .实验结果表明改进的缓冲层法能提高

氧化银纳米粒子的制备及其动态受激荧光

采用真空蒸发沉积法和辉光放电氧化法,制备了粒径在5～30nm之间的可控、空间分布均匀、高纯度的氧化银纳米薄膜,使薄膜成岛状生长和避免光照是制备过程中的两个关键问题.用XPS分析了Ag3d和O1s轨道的结合能,计算了银和氧的原子比,证明其成分为Ag2O,用XRD确定了氧化银纳米薄膜最强的衍射峰分别对应Ag2O的(111)、(110)、(200)、(211)晶面族.研究了这种薄膜在可见光波段的光吸收,计算得氧化银的禁带宽度为2.8eV.在蓝光持续照射几分钟激活后,观察到了其中纳米粒子在蓝光激发下发黄光和绿光,在绿光激发下发红光的现象,这种光致发光具有动态“闪烁”的特点.提出了氧化银光分解引入缺陷能级(如Ag3O,Ag+2O和Ag+3O)新的理论模型并对此现象进行定性的解释.

InGaN/GaN多量子阱LED电致发光谱中双峰起源的研究

研究了MOCVD生长的具有双发射峰结构的InGaN/GaN多量子阱发光二极管(LED)的结构和发光特性.在透射电子显微镜(TEM)下可以发现量子阱的宽度不一致,电致发光谱(EL)发现了位于2.45eV的绿光发光峰和2.81eV处的蓝光发光峰.随着电流密度增加,双峰的峰位没有移动,直到注入电流密度达到2×104mA/cm2时,绿光发光峰发生蓝移,而蓝光发光峰没有变化.单色的阴极荧光谱(CL)发现绿光发射对应的发光区包括絮状区域和发光点,而蓝光发射对应的发光区仅包含絮状区域.通过以上的结果,我们认为蓝光发射基本上源于InGaN量子阱发光,而绿光发射则起源于量子阱和量子点的发光.

GaN基外延膜的激光剥离和InGaNLD外延膜的解理

利用波长为 2 4 8nm的KrF准分子激光器进行了蓝宝石衬底GaN外延层剥离。对极薄的MOCVD生长的单层GaN外延膜 (3μm)和InGaNLD外延膜 (5 μm)实现了大面积剥离。对剥离蓝宝石衬底背面抛光和未抛光外延片的不同特点作了比较 ,激光剥离所需的能量密度阈值分别约为 2 0 0mJ/cm2 和 30 0mJ/cm2 ,优化结果表明 ,能量密度分别在 4 0 0mJ/cm2 和 6 0 0mJ/cm2 可实现稳定的剥离。同时对剥离后的InGaN多量子阱LD结构薄膜进行了解理 ,SEM观察显示获得的InGaNLD腔面平整光滑。

近场光学显微技术的进展及其应用

近场光学显微技术突破传统光学衍射极限获得了纳米尺度的空间分辨率,并在近场光存储、半导体材料、生命科学等交叉学科领域发挥了巨大的作用。本文综述了近场光学显微技术的发展现状,讨论了基于近场光学原理的超分辨近场结构在现代光刻技术上的应用、表面等离激元的共振增强作用和束流作用在近场光学领域的进展以及表面增强拉曼散射机理的研究,并介绍了近场光学显微技术在单分子检测和细胞探测等其它生命科学领域的一些发展。

大失配、强极化第三代半导体材料体系生长动力学和载流子调控规律

高质量氮化镓(Ga N)材料是发展第三代半导体光电子与微电子器件的根基。大失配、强极化和非平衡态生长是Ga N基材料及其量子结构的固有特点,对其生长动力学和载流子调控规律的研究具有重要的科学意义与实用价值,受到各国科学界与产业界广泛高度重视。本文对大失配、强极化氮化物半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律进行了研究,旨在攻克蓝光发光效率限制瓶颈,突破高Al和高In氮化物材料制备难题,实现高发光效率量子阱和高迁移率异质结构,制备多波段、高效率发光器件和高频率、高耐压电子器件,实现颠覆性的技术创新和应用,带动电子材料产业转型升级。

加强大型仪器开放 促进学生创新研究——以扫描电子显微镜/聚焦离子束刻蚀双束系统为例

探讨了高校大型仪器设备面向本科生、研究生等开放使用的可行性及重要意义,并以电子束扫描/聚焦离子束刻蚀双束系统为例,阐述了扩大仪器设备对学生开放程度,既能充分发挥仪器设备在科研教学中的作用,又能培养学生实践创新能力,推动高校培养高水平综合型学生的目标.

飞秒强激光场下的分子动力学研究

飞秒激光通常伴随着极短的脉冲宽度和极强的脉冲强度，前者使人类能够在飞秒的时间尺度内实时观察分子的动力学过程，揭示化学反应的本质。而后者则可以极大地改变分子的行为，使分子发生取向、电离、解离和库仑爆炸等。飞秒激光正由过去的测量工具向现在的控制工具转变，利用飞秒激光控制分子的上述行为，是目前研究热点之一。要想实现对分子上述过程的有效控制，首先必须对这些过程进行深刻的了解。

超快速有机光子晶体光开关

光子晶体光开关是一种重要的集成光子器件，它基于光子带隙特性来实现对光的传输过程进行“开”“关”控制作用，在超快速信息处理和光通讯等领域都具有非常重要的应用前景。聚苯乙烯是一种非线性有机共轭聚合物，其三阶非线性光学效应来源于共轭π电子的离域极化，因而具有较大的三阶非线性系数和飞秒量级的超快速时间响应。聚苯乙烯在400nm附近有一个线性吸收区。我们采用Spin-coating方法在石英基片上制备厚度为300nm的聚苯乙烯薄膜，利用聚焦离子束刻蚀技术来制备二维正方晶格聚苯乙烯光子晶体，晶格常数330nm，空气孔半径130nm，光子晶体中间有一宽度为450nm的线缺陷。

GaN基激光器光增益和内部光损耗的测量

采用变条长方法实验测量了GaN基短波长激光器样品的放大自发发射谱,确定了样品的光增益和光损失系数,并发现了样品中存在着严重的光增益饱和的现象。证实了变条长方法对于研究GaN基短波长激光器性能的可行性。进一步比较了两种不同结构的激光器样品在增益和增益饱和方面的性能差别,同时指出样品外延时生成的裂纹,可能是造成这一差别的原因。