基于第一性原理计算Stone-Wales石墨烯的光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了一种新型二维材料Stone-Wales(SW)石墨烯的光学性质。基于介电函数，反射谱和吸收谱等参数对其进行研究。结果显示这种狄拉克碳材料的光学性质在不同极化光下都表现出强各向异性。介电函数实部表明其静态介电常数大，这说明该材料具有很多可利用的自由载流子，所以具有优良的导电性，可作为新一代纳米电子器件的候选材料。此外，吸收光谱和反射光谱表明了SW石墨烯在全光谱区内具有比较敏感的光谱响应，这说明该材料在光电子器件领域非常具有应用前景。     

二维钙钛矿窄带光电探测器

识别光信号的波长在生物医学传感、机器视觉及图像处理等方向都有极大的应用价值。传统的方式是由光学滤波片或光谱仪对宽带光谱进行滤波或分光,再结合宽带光电探测器件检测,从而实现对波长的鉴别。但这种实现方式的成本高、系统体积大。为了解决这一问题,文中提出一种基于二维钙钛矿材料的窄带光电探测器,它无需任何额外光学元件,也能够实现对光波长的鉴别功能。该探测器的光谱响应峰在552nm处,其峰值半高宽仅为22 nm,峰值的响应度达到0.55A/W,对应的外量子效率为124%。探测器的比探测率高达3.5×10~(11) Jones,暗电流低至10~(-13)A,开光比为10~3。这种高性能的窄带探测可归因于材料内存在的自陷态激子的辅助吸收作用及各向异性的电导率对于窄带电荷收集的促进作用。     

基于拉曼光谱和光学二次谐波的二硒化锡结构研究

二维层状半导体材料,尤其是少数原子层时,其光电性质与晶格结构密切相关,采用合适的表征方法是关键。本文通过使用机械剥离的方法,得到了不同层数的二硒化锡,并利用光学二次谐波和拉曼光谱的表征研究了其晶体结构的性质。通过二次谐波准确确定了二硒化锡的晶轴,分析了厚度对二次谐波的影响,为确定材料的晶格结构提供了一种纯光学的手段,同时为发现二硒化锡其他非线性光学性质提供了可能性。通过拉曼光谱,发现二硒化锡层间振动模式对厚度和温度变化均较为敏感,表明二硒化锡可应用于大范围内温度的原位监测。     

各向异性二维材料的热输运及热辐射调控研究进展

二维材料体系中能量输运与宏观体材料存在显著差异.因此，二维材料的热输运和热辐射的研究对微纳器件热管理、辐射制冷等具有重要意义.本文首先总结了典型各向异性二维材料(如WTe₂、CrOCl、Ta₂NiS₅)的热学特性，分析了材料结构对热输运的影响，展示了在二维材料中调控热流的新机制；其次，针对高功率密度器件散热需求，总结了影响热界面材料性能的关键因素，回顾了利用二维材料各向异性的热输运特性提高聚合物复合材料热导率的新方法，包含空间取向调控、导热网络构建等；最后，围绕辐射制冷、红外伪装等领域应用需求，基于二维材料的独特晶体结构和电子结构，总结了通过离子插层方式调控发射率的新途径，全面分析了主客体结构、外加电场等对红外发射率的影响，展示了优化发射率调控能力的新途径.本文通过梳理相关研究进展，加深了对二维材料热输运和热辐射调控机制的理解，分析了材料制备、物性表征、机制探究中面临的挑战，展望了相关研究的发展方向.     

二维红外相关光谱法的分析

二维红外相关光谱法是二维相关光谱技术在红外光谱领域的渗透和发展，已成为光谱分析中重要的研究方法之一。综述了二维红外相关光谱法的发展历程、获取谱图的方法、相关原理、谱图的性质及解释规则，并举例说明其在聚合物、化学、生物学、中药学、液晶材料等领域的应用。     

WS_2/WSe_2异质结层间相互作用的光谱研究

原子级厚度的过渡金属硫化物二维材料具有独特的电子和光学性质,当将其构筑成原子层异质结时,由于层间耦合作用和界面电荷传递,导致产生新的光学性质,在光电器件方面具有重要的潜在应用.利用机械剥离法制备了WS_2/WSe_2异质结,通过变温拉曼光谱和变温光致发光光谱,研究了异质结中的层间相互作用和界面电荷传递.从拉曼光谱和光致发光光谱上观测到了层间声子和层间激子的存在,表明WS_2和WSe_2构成的异质结中存在明显的层间相互作用.由于WS_2和WSe_2形成Ⅱ型能带排列,电子从WSe_2向WS_2转移,显著影响带电激子和中性激子发光强度.     

Er/Yb:KYW晶体的各向异性与偏振特性

在室温下测试Er/Yb:KYW晶体的Ng,Np,Nm 3个轴方向的吸收光谱、偏振吸收光谱和偏振荧光光谱.不同轴方向的吸收特点及计算的相关光谱参数表明该晶体有着明显的各向异性.研究此晶体的偏振光谱,发现其具有强烈的偏振性.     

新型四配位硅基材料的结构与性质

硅基半导体已广泛用于光电转化和现代通信等不同领域,新型硅基材料的发展,有助于应对功能材料在现代科技领域面临的挑战.本文主要介绍本课题组近年来在新型四配位硅基材料领域中的理论设计与计算模拟,包括新型四面体硅基材料和平面四配位硅基二维单层材料.基于Si(C≡C)_4结构单元,设计了一系列类金刚石结构的宽带隙半导体材料,预测了它们的结构、光电及力学性质,分析了平面四配位硅的成键特征及其稳定化策略,探讨了含平面四配位硅的二维单层材料在锂离子电池和CO_2活化转化中的应用.     

手性超材料的设计、电磁特性及应用

综述了手性超材料最新研究进展。首先根据超材料的维度以及内在手性和外在手性对手性材料进行了系统的分类。在此基础之上,分析了几种典型的具有手性的超材料结构,并对其电磁性质进行了研究。最后对手性超材料的应用进行了分析,例如利用手性实现负折射率,利用手性超材料来增强生物传感以及基于手性的偏振器件。手性超材料的研究将会促进光电、纳米、生物等学科的发展,并具有广泛的应用前景。     

二维锑烯电子结构与光学性质的第一性原理研究

二维锑烯具有石墨烯、BP、MoS2等典型二维材料相似的优越物理化学性质,在纳米光电子、生物医学等诸多领域展现了良好的应用前景,吸引了科学界的广泛关注.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对少层锑烯的晶体结构、电子结构以及光学性能进行了系统研究.计算结果表明:随着层数增加,二维锑烯由半导体向导体过渡,材料的极化能力越来越强,静介电常数也越来越大,介电函数的虚部曲线随能量的变化,发生红移,峰值越来越大,锑烯的反射系数也越来越大.吸收曲线与介电函数虚部曲线相对应,随着层数的增加,也出现红移现象,对于长波段的光,层数越少,吸收越差,但对于紫外区域,均具有较好的吸收.这有助于我们全面地了解二维锑烯纳米片的物理性能,为其在光电材料和器件中的应用研究提供更多的理论依据.     

蛋白基柔性材料的介观重构及其光电子器件

自然界中的蛋白质材料具有天然丰度、多种化学成分、可调控的性能、优异的生物相容及可降解性能等特点,为柔性光电子器件的发展提供了新的机遇.然而,蛋白质化学稳定性差、机械柔性不可控等缺点使得传统加工技术难以应用在其表面,严重制约了其在柔性电子领域的应用.本文首先以丝蛋白和角蛋白为例介绍了天然蛋白材料的介观重构以及加工技术,阐述了天然蛋白质材料的多级网络结构与其物理性能的关系.在此基础上,侧重介绍它们在柔性传感、发光、晶体管及存储等器件中的应用,最后展望了蛋白基柔性材料在光电子器件发展中所面临的挑战以及发展机遇.     

有机-无机混合阳离子钙钛矿发光二极管研究进展

 有机-无机杂化钙钛矿具有制备方便、光学带隙可调、电荷传输性能优异等特性,正成为新一代革命性的半导体光电材料。随着研究的不断发展,钙钛矿材料的量子产率已经超过90%。材料合成的快速发展促进了其在光电子器件上的应用,包括太阳能电池、发光二极管、光电探测器和晶体管等。本文回顾了有机-无机混合阳离子钙钛矿发光二极管的最新研究进展,包括材料晶体结构、纳米晶合成过程、器件制备及其光电特性表征。有机-无机混合阳离子为高量子产率钙钛矿纳米晶的合成开辟了一种新的途径,同时也为制备高亮度、高效率发光二极管器件提供了新的思路。     

Ultafast organic nonlinear optical molecules and the realization of mesoscopic photonic devices

In the twentieth century, revolutionary changes took place in the human society and people’s life-style due to the improvement of the optoelectronic information technology based on the second-order nonlinear optical effects, such as the electro-optic effect, the second harmonic generation (SHG), and so on. Along with the rapid development of light information technology, new principles and methods of nonlinear optics are needed, and the third-order nonlinear optical effects attract great attention. The research progress of nonlinear optics is reviewed in this article. Our research work on the third-order nonlinear optical materials, ultrafast and low-power organic all-optical photonic crystal switching are introduced.     

A novel high-efficiency crystal/polymer composite material for nonlinear optics

FOR practical applications in optoelectronic devices, nonlinear optical materials should ideally combine appropriate optical properties (that is, a nonlinear response to an electric field, characterized by second-harmonic generation) with the mechanical properties, such as strength and rigidity, required for ease of processibility. As reported here, we have developed a new class of material that combines these attributes, by growing aligned crystals of an optically nonlinear organic compound in a transparent polymer matrix. The host conveys desirable mechanical characteristics to the otherwise fragile organic crystals. The composites are transparent and non-scattering, with a refractive index that can be varied by modification of the polymer host. Given, in addition, the high chemical stability of these materials, we believe that they will have an important part to play in the development of optoelectronic devices.     

第五主族原子替位掺杂对砷烯几何结构和电子性质的影响

点缺陷不可避免存在于新型二维材料中,并往往对其物理性质有重要的影响. 该文运用第一性原理计算方法,研究了第五主族原子(N、P、Sb和Bi)替位掺杂对砷烯几何结构和电子性质的影响. 首先,研究发现第五主族原子替代掺杂原子在砷烯晶体中会引起明显的局部晶格形变. 其次,第五主族原子掺杂会导致二维砷烯晶体能带带隙的不同程度的减小,随后根据电子态密度和差分电荷密度的计算结果对其进行了分析和解释. 最后,给出了第五主族原子掺杂砷烯的STM图像,为实验科研者识别和分析砷烯缺陷提供有益的参考. 研究结果将对二维砷烯纳米材料在光电器件等领域的应用提供有价值的参考和依据.     

Three-dimensional control of light in a two-dimensional photonic crystal slab

Optoelectronic devices are increasingly important in communication and information technology. To achieve the necessary manipulation of light (which carries information in optoelectronic devices), considerable efforts are directed at the development of photonic crystals--periodic dielectric materials that have so-called photonic bandgaps, which prohibit the propagation of photons having energies within the bandgap region. Straightforward application of the bandgap concept is generally thought to require three-dimensional (3D) photonic crystals; their two-dimensional (2D) counterparts confine light in the crystal plane, but not in the perpendicular z direction, which inevitably leads to diffraction losses. Nonetheless, 2D photonic crystals still attract interest because they are potentially more amenable to fabrication by existing techniques and diffraction losses need not seriously impair utility. Here we report the fabrication of a waveguide-coupled photonic crystal slab (essentially a free-standing 2D photonic crystal) with a strong 2D bandgap at wavelengths of about 1.5 microm, yet which is capable of fully controlling light in all three dimensions. These features confirm theoretical calculations on the possibility of achieving 3D light control using 2D bandgaps, with index guiding providing control in the third dimension, and raise the prospect of being able to realize unusual photonic-crystal devices, such as thresholdless lasers.     

Doping-free carbon nanotube optoelectronic devices

Semiconducting carbon nanotubes (CNTs) possess outstanding electrical and optical properties because of their special one-dimensional (1D) structure. CNTs are direct bandgap materials, which makes them ideal for use in optoelectronic devices, e.g. light emitters and light detectors. Excitons determine their light absorption and light emission processes due to the strong Coulomb interactions between electrons and holes in CNTs. In this paper, we review recent progress in CNT photodetectors, photovoltaic devices and light emitters. In particular, we focus on the doping-free CNT optoelectronic devices developed by our group in recent years.     

Rare Earth Doped Polymer Waveguide Materials and Devices

1 Results Rare earth doped waveguide amplifiers and devices have been demonstrated in silica, crystal and other glass hosts. These rare earth doped optical waveguide devices are based on inorganic materials. Many processing steps are required and can lead to long fabrication time and low yield.Polymer materials offer many distinct properties compared to inorganic materials, such as ease of fabrication, low production costs, simple processing steps, and compatibility with micro-fabrication technologies. ...     

有源光电子器件技术及其发展

全光通信是光纤通信发展的必然方向，有源光电子器件是构建全光通信网络的重要基础。介绍了目前常用的几种有源光电子器件的现状及发展情况，并对其技术的未来发展趋势进行了分析和总结。