基于金纳米粒子增强有机-无机杂化钙钛矿放大自发辐射

有机-无机杂化钙钛矿作为激光的增益介质时,存在室温时纳秒脉冲或连续激光作用下的光泵浦器件不稳定、难以实现电泵浦激光等问题.通过将金纳米粒子水溶液和PEDOT∶PSS溶液共混的方法,将20nm尺寸的金纳米粒子掺杂至光泵浦平面波导器件的界面层PEDOT∶PSS中,掺杂了金纳米粒子的平面波导器件(以CH_3NH_3PbBr_3为增益介质)的放大自发辐射绝对强度相对于没掺杂金纳米粒子的器件提升了5.5倍.实验结果表明,金纳米粒子的引入,一方面提升了CH3NH3PbBr3薄膜的吸收,增加了粒子反转数目,另一方面加快了激发态激子的辐射跃迁速率.仿真分析表明,金纳米粒子的近场和远场复合表面等离激元可有效耦合增益介质光吸收/发射主区域,从而提高了平面波导器件的放大自发辐射性能.研究结果可为高效泵浦激光的实现提供参考.     

利用PVP添加剂提高钙钛矿太阳能电池光伏性能

研究了聚乙烯吡络烷酮(PVP)作为添加剂对CH3NH3PbI3钙钛矿基太阳能电池光电性能的影响.通过SEM、XRD和UV-Vis等手段,研究了不同浓度PVP掺杂CH3NH3PbI3钙钛矿前驱体对薄膜的表面形貌、结晶度和光学性能的影响.结果表明,少量的PVP添加可以调控钙钛矿薄膜的质量,添加了PVP的钙钛矿薄膜的吸收性能明显得到提高,且吸收峰红移了20 nm;同时,不仅增加了CH3 NH3 PbI3的结晶度,而且还明显提高了钙钛矿薄膜的覆盖率,减少了钙钛矿薄膜中的针孔结构.在CH3 NH3 PbI3前驱体溶液中添加质量分数为1％的PVP,得到的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率达到8.38％.与未加PVP的标准电池器件效率(1.30％)相比,效率提高了544％.这些结果表明,通过添加剂来调控一步法CH3 NH3 PbI3的晶体生长和薄膜形貌来获取高性能的钙钛矿太阳能电池是很有前途的.     

基于深亚波长双层媒质的钙钛矿量子点荧光增强

近年来,利用金属纳米结构表面等离激元共振提高半导体材料的发光效率取得了重要进展,但是相关结构体系面临着加工技术复杂、重复性差等缺点。本文报道了一种新型超薄、大面积、共振可调的平面双层纳米媒质用于增强量子点发光,其结构由深亚波长厚度、高吸收率特性的氧化铜(CuO)薄膜和金(Au)薄膜构成。实验结果显示,通过改变CuO薄膜厚度可以灵活调节CuO/Au双层堆栈结构的反射光谱,以其为基底旋涂CsPbBr_3钙钛矿量子点后与裸石英旋涂CsPbBr_3量子点参考样品相比实现了最大7倍的荧光发光增强。理论分析表明,荧光增强效应与强光学非对称法布里-珀罗薄膜干涉引起的高效光吸收和局域场增强导致的自发辐射速率加快相关。     

利用PVP添加剂提高钙钛矿太阳能电池光伏性能（英文）

研究了聚乙烯吡络烷酮(PVP)作为添加剂对CH3NH3Pb I3钙钛矿基太阳能电池光电性能的影响。通过SEM、XRD和UV-Vis等手段,研究了不同浓度PVP掺杂CH3NH3Pb I3钙钛矿前驱体对薄膜的表面形貌、结晶度和光学性能的影响。结果表明,少量的PVP添加可以调控钙钛矿薄膜的质量,添加了PVP的钙钛矿薄膜的吸收性能明显得到提高,且吸收峰红移了20 nm;同时,不仅增加了CH3NH3Pb I3的结晶度,而且还明显提高了钙钛矿薄膜的覆盖率,减少了钙钛矿薄膜中的针孔结构。在CH3NH3Pb I3前驱体溶液中添加质量分数为1%的PVP,得到的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率达到8.38%。与未加PVP的标准电池器件效率(1.30%)相比,效率提高了544%。这些结果表明,通过添加剂来调控一步法CH3NH3Pb I3的晶体生长和薄膜形貌来获取高性能的钙钛矿太阳能电池是很有前途的。     

表面等离极化激元的散射及波前调控

表面等离极化激元在片上信号传输、增强非线性/拉曼效应、生物/化学传感、超分辨成像等方面具有重要应用.在这些应用中,表面等离极化激元的近场传输及远场散射起着重要作用.然而,长期以来人们对相关物理效应缺乏简单有效的理论理解,这也限制了人们对表面等离极化激元的自由调控.本文首先简单回顾了表面等离极化激元的发展历史及现状,接着着重介绍了表面等离极化激元的近场传输效应和远场散射效应,包括其理论进展及其相关应用;最后还介绍了表面等离极化激元的近场波前调控的相关方法.基于这些进展,人们对表面等离极化激元的散射特性有了更为深刻的理解和更加强大的调控能力,这将对未来表面等离极化激元相关研究和应用带来启发.     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

金纳米颗粒等离激元对不同形貌氧化锌薄膜发光性能的调控

采用化学气相沉积法制备了纳米棒状的氧化锌纳米结构薄膜和没有纳米棒的氧化锌薄膜,通过直流溅射在所制备的有纳米棒和没有纳米棒的氧化锌薄膜上淀积约3 nm厚的金纳米颗粒薄膜,研究了金纳米颗粒对不同表面形貌氧化锌薄膜的发光特性的影响。实验发现金纳米颗粒的存在使具有纳米棒的氧化锌薄膜的紫外发射增强,但使来自缺陷的可见光发射受到很大的抑制。通过比较有纳米棒和没有纳米棒的氧化锌薄膜在镀金纳米颗粒前后的发光特性,发现金表面等离激元对氧化锌发光的调控取决于氧化锌的表面形貌,纳米棒的存在更有利于金纳米颗粒等离激元调控氧化锌的发光特性。     

表面等离子激元调制的亚波长束斑半导体激光器

近场有源探针可以解决近场光学扫描显微镜等应用中对高亮度和高光功率的需求.提出一种制备具有表面等离子激元结构的微纳束斑的半导体激光器的设计方案.模拟分析表明,此激光器在3.5 μm的远场仍然可以获得小于波长的束斑,并且其输出功率密度与没有表面激元结构的激光器比较提高近30倍.     

利用吡啶添加剂提高钙钛矿太阳能电池的光伏性能

研究了吡啶作为添加剂对一步法制备甲胺铅碘钙钛矿太阳能电池光电性能的影响.利用SEM、AFM、XRD、UV-Vis、PL等手段研究了不同吡啶掺杂浓度对制备的CH3 NH3 PbI3薄膜的表面形貌、结晶度和光学性能的影响.研究结果表明:少量的吡啶掺杂可以提高钙钛矿薄膜的覆盖率及降低薄膜的表面粗糙度.当在CH3 NH3 PbI3前驱体溶液中添加体积分数为1%的吡啶时,制备的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率达到7.33%,而未加吡啶的对比器件效率仅为1.01%.进一步添加吡啶会导致钙钛矿材料的降解.     

电介质微球和金属平面纳米层增强荧光远场定向发射

本文提出了一种由电介质微球和金属平面纳米层组成的复合结构,用于增强荧光远场定向发射强度和提高荧光收集效率.通过时域有限差分法研究了位于电介质微球和金层之间量子点的激发和发射过程.量子点作为荧光材料涂敷于聚甲基丙烯酸甲酯中,用于控制和金层的距离从而调控荧光增强.该结构基于等离激元耦合、回音壁模式以及光子纳米射流之间的协同效应,使远场荧光强度增强230倍,荧光收集效率高达70%.与电介质微球和金球二聚体复合结构增强荧光相比,金球二聚体之间的间距不易控制,此外量子点要放在金球之间特定的位置.而本文提出的三维平面复合纳米结构相对更方便实现.以上结果在提高荧光生物检测灵敏度、成像质量以及发光器件效率等领域具有非常重要的应用意义.     

基于棱镜型消逝场耦合增强拉曼/荧光原位光谱检测系统

为解决单一技术在表界面过程研究中的局限性,发展多技术协同配合的综合探测装置具有重要意义。该研究使用Kretschmann棱镜激发银膜表面等离激元极化子(SPP),并在银膜表面修饰具有拉曼及荧光活性的目标分子。利用分子对表面电磁场的散射和吸收,将近场的能量重新发射到远场,实现探测。基于该技术,搭建了一套原位融合表面等离激元共振(SPR)光谱、表面增强拉曼散射(SERS)、表面等离激元增强荧光的检测系统,用于实现高灵敏的表界面事件监控及光谱分析功能,并以Cy5.5@SiO₂@AuNP@4MBA荧光拉曼双探针为标准样品对仪器功能进行验证。该装置在动态调控等离激元器件,生物传感与检测,界面光电催化等领域均有很多潜在应用。     

基于离子化合物的高性能钙钛矿发光二极管

金属卤化物钙钛矿因其颜色可调、颜色纯度高、光电性能好而备受关注,因而广泛应用于显示、照明等领域.近年来,对于钙钛矿发光二极管(perovskite light emitting doides, PeLEDs)的研究也越来越热门,要获得高性能PeLEDs,其发光层-钙钛矿薄膜的质量是关键因素之一.本工作采用离子化合物四苯基氯化膦(tetraphenylphosphinium chloride, TPPCl)作准二维钙钛矿薄膜的添加剂,制作了具有双电子传输层的高性能准二维PeLEDs.其最佳器件的最大亮度(25285 cd/m²)、最大电流效率(65.9 cd/A)和最大外量子效率(17.3%)分别是控制器件的4.1, 7.2和7.2倍.通过对其光电性能提高的物理机理进行研究,发现TPPCl的引入不仅可以提高钙钛矿薄膜的质量,减少缺陷,还可以调节结晶相的分布,从而更好地将激子限制在发光层中,最终在能量漏斗效应的辅助下获得更好的光致发光和电致发光性能.     

金局域表面等离激元增强砷化镓发光特性

研究了金纳米颗粒局域表面等离激元共振耦合效应,并实现了砷化镓薄膜的近场发光增强.通过理论计算金纳米颗粒的吸收光谱及电场分布,分析金属纳米颗粒形貌尺寸的改变对等离激元共振频率调控及局域场增强效果的影响,模拟半径为50nm的金颗粒并实现了35倍近场增强效果.通过对双球型的模拟,分析了一种金纳米颗粒增强GaAs的积极方式,即密集颗粒之间的近场耦合形成的"hotspots".此外,研究了不同溅射时间及快速退火对金纳米颗粒吸收特性的影响,发现金纳米颗粒吸收峰位主要位于560～680nm波段,而且随着溅射时间的增加发生红移现象.经过快速退火处理后,金纳米颗粒吸收峰位蓝移到510～550nm波段,形成与532nm激发波长相匹配的共振吸收峰.最后,实现砷化镓薄膜9.6倍的光致发光增强.     

电子能量损失谱探测银纳米棒与介质层强耦合的数值模拟

表面等离激元与量子发射体间的强耦合现象通常通过散射、吸收以及荧光等远场光谱探测方法进行研究.利用高度聚焦的电子束,电子能量损失谱能够实现亚纳米尺度的局域探测,可以更加有效地研究强耦合现象.本文在理论上分别模拟了银纳米棒、介质材料以及介质层包裹银纳米棒复合结构的电子能量损失谱.得到了可以与实验结果比拟的银纳米棒表面等离激元的电子能量损失谱.在上述复合结构的电子能量损失谱中观察到了谱峰的拉比劈裂,探究了银纳米棒尺寸对拉比劈裂的影响.分别在红外、可见光波段讨论了介质层的元激发与银纳米棒偶极辐射及高阶非辐射表面等离激元模式间的强耦合现象,从损失谱的空间分布成像角度探讨了强耦合引起的杂化等离激子(plexciton)的形成.本研究对强耦合现象的进一步实验和理论研究具有指导意义.     

金属纳米颗粒的导入对顶发射OLED光取出影响的FDTD模拟与研究

由于有机发光二极管（OLED）中存在金属阴极和有机层界面,故部分光子会转化为表面等离子激元沿金属表面传播耗散掉。同时,金属阴极自身也会吸收部分光能量。这两种情况均会导致器件出光率降低。分析了在结构为Ag （100 nm）/MoO₃（5 nm）/NPB （35 nm）/EML （20 nm）/Alq₃（40 nm）/Al （20 nm）/MoO₃（50 nm）的器件内部引入银纳米颗粒（Ag NPs）或者金纳米颗粒（Au NPs）后器件出光效率的变化。同时,改变金属纳米颗粒的位置以观察其对出光效率的影响。利用有限差分时域法对无金属纳米颗粒的器件和金属纳米颗粒位于器件不同位置时的出光效率进行了模拟计算。结果显示,Ag NPs或者Au NPs都可以提高器件出光效率且Ag NPs优于Au NPs。在468 nm波长下,Ag NPs位于Al阴极表面、电子传输层（ETL）中间和Ag表面时器件的透光率分别是51.1%,50.5%和45.5%,而未掺杂Ag NPs的参考器件的透光率仅为43.3%。     

基于激子阻挡层的高效率绿光钙钛矿电致发光二极管

金属卤化物钙钛矿材料由于具有高的光致发光量子产率、高色纯度、带隙可调等杰出的光学性能,被作为发光材料广泛地用于制备钙钛矿电致发光二极管(perovskite light-emitting diodes,PeLEDs).虽然取得了较好的研究进展,但是其效率和稳定性还未达到商业化的要求,还需要进一步提高.为了提高PeLEDs的效率和稳定性,本文使用旋涂法,引入了一种具有宽带隙和较好空穴传输能力的有机小分子材料4,4′-cyclohexylidenebis[N,N-bis(p-tolyl)aniline](TAPC)作为激子阻挡层,获得了效率和寿命都得到提高的全无机PeLEDs.研究表明,PeLEDs效率和寿命得到提高的物理机制主要源于两方面:1)TAPC具有恰当的最高占有分子轨道能级,与PEDOT:PSS的最高占有分子轨道能级和CsPbBr3的价带边形成了阶梯式能级分布,有利于空穴注入和传输;同时TAPC具有较高的最低未占分子轨道能级,能够有效地阻止电子泄漏到阳极端,并能很好地将电子和激子限制在发光层内;2)TAPC层的引入可以避免钙钛矿发光层与强酸性的空穴注入材料Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(p-styrene sulfonate)(PEDOT:PSS)的直接接触,进而免除钙钛矿发光层由于与PEDOT:PSS的直接接触所导致的激子淬灭,从而提高了激子的发光辐射复合率.     

基于表面等离激元谐振腔的窄谱增强传感器

表面等离激元是一种局域在金属和介质之间的电磁波,与金属表面自由电子的集体振荡有关,具有高度局域和近场增强的特性。为此,利用表面等离激元谐振腔对红外窄谱增强成像设备进行设计,单个纳米等离激元谐振腔由两片金属银层构成。模拟结果表明,该纳米等离激元谐振腔在红外波段起到窄谱吸收的作用,在纳米等离激元谐振腔中,吸收波段得到较大的电场增强,并且可以同时屏蔽不需要的波段。这种窄谱的CCD(Charge Coupled Device)有望应用在高分辨成像和日用红外CCD等领域,并且该设计展示出利用硅半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)平台制作波长约为800 nm的近红外CCD的商业应用价值。     

金属-介质-金属纳米天线阵列的模式特性及荧光发射调控

设计一种支持多模式的金属-介质-金属纳米天线阵列结构,分析结构中的模式特性及其调控的发光过程。利用时域有限差分的方法模拟该结构的透射谱和电场分布,分析结构中局域表面等离激元模式和磁等离激元共振模式的特性以及激发光偏振调控的模式变化。将偶极子光源放在介质层中,模拟该天线阵列结构调控荧光分子的发光过程。结果表明:荧光分子的辐射和非辐射衰减速率增强因子、量子效率以及偏振特性受到了所提结构模式的有效调控;在一定波长范围内改变激发光的偏振方向可以对发光谱进行调谐。     

介质覆盖Ag阴极的顶发射有机发光二极管出光效率增强机制及耦合表面等离子体激元研究

采用经典的光学传输矩阵法和微腔理论计算具有不同厚度的功能有机薄膜和电极形式的顶发射有机发光二极管光学的耦合出光效率。根据仿真计算结果,制备了绿色荧光Alq₃顶发射器件并进行了相关测试。研究发现,采用银作为半透明阴极并蒸镀NPB有机覆盖层,相对于无覆盖层的器件来说,出光效率大大增强,该增强效应采用近场光学理论的偶极子辐射与银电极相互作用理论,即耦合表面等离子体激元理论,解释为是金属Ag薄膜阴极增强的透射、变化的微腔增益以及最主要的出光银阴极上的耦合表面等离子体激元效应三个因素的综合作用。     

表面等离激元对氮化硅薄膜中Tb3+离子荧光寿命的影响

利用等离子增强化学气相沉积和离子注入方法,制备了铽掺杂的氮化硅薄膜,然后利用磁控溅射和热处理工艺在薄膜上沉积了不同颗粒尺寸的银薄膜来研究表面等离激元共振对铽离子荧光寿命的影响.实验结果表明氮化硅中Tb³⁺离子的光致荧光最强峰在547 nm,而银薄膜的存在会明显降低稀土离子Tb³⁺的荧光寿命,其寿命的改变是由于银薄膜的表面等离激元改变了电磁场的分布,从而影响了系统的局域光模密度(PMD),理论计算的结果也验证了这一点.