 导语 范智勇副教授简介 范智勇，香港科技大学电子及计算机工程学系副教授。分别于1998和2001年从复旦大学物理电子系获得学士和硕士学位。2006年于加州大学欧文分校获得材料科学博士学位。2007至2010年在加州大学伯克利分校以及劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究。2010年加入香港科技大学，目前为电子及计算机工程学系副教授。2018年当选英国皇家化学学会会士。2018年被Web of Science（Clarivate Analytics）评为全球高被引学者。目前发表高水平论文150多篇，总引用超过15,000次，h因子59。担任NPG Scientific Reports，Springer Nanoscale Research Letters编委。同时是Nature, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Materials, IEEE EDL等期刊的审稿人。目前从事的研究包括钙钛矿纳米线、钙钛矿光电器件、柔性可穿戴器件、气体传感器以及纳米结构光电器件中的光与物质相互作用等。 前沿科研成果 利用纳米光子衬底大幅提高光提取效率从而实现高效率的钙钛矿LED 此工作中的器件结构如图1所示，器件制备于纳米光子衬底的顶部而非内部，从而可以尽量降低纳米结构的引入对器件电学性能的影响。更重要的是，这里的纳米光子衬底，是基于制备方便的、低成本的多孔阳极氧化铝模板（AAM），并且光子晶体衬底的结构尺寸可以得到精确的控制。 图1. 基于纳米光子衬底的LED器件（图b和图c的scale bar为1微米）。a）器件结构示意图；b）AAM薄膜；c）器件截面图。 （来源：Nat. Commun.） 作者通过控制AAM的结构尺寸，制备了包含平面对比器件的三种不同器件（图2），发现只有合理设计光子晶体衬底的几何参数，才能实现光效率的大幅提升。图2. 器件性能。a）电流密度和亮度；b）外量子效率；c）外量子效率的提高系数。 （来源：Nat. Commun.） 为了进一步探索衬底几何尺寸对器件性能的影响，作者利用有限差分时域模型（FDTD）方法对出光效率和衬底几何尺寸的关系做了系统研究（图3），并发现此种纳米光子衬底的优化结构是基于1000纳米周期以及0.4直径/周期比的AAM。同时，AAM中需要填充高折射率材料，这是为了让AAM中的纳米线作为光波导的芯层，从而可以形成导模，方便光从器件活性层中耦合进纳米线阵列。 图3. 光提取率仿真。a）AAM中填充高折射率材料二氧化钛；b）AAM中填充空气。 （来源：Nat. Commun.） 进一步，作者研究了光在不同几何尺寸衬底中的光传播过程。发现平面器件的光能大部分束缚在器件活性层中，500纳米周期器件大部分光作为导模束缚在纳米线阵列中，1000纳米和1500纳米周期器件可以将导模转换成漏模，从而变成光辐射能。图4. 时域电场演变。从上到下依次是平面器件、500纳米周期器件、1000纳米周期器件和1500纳米周期器件。 （来源：Nat. Commun.） 为了更好地比较不同几何尺寸器件的出光效果，作者研究了不同器件的远场分布。其结果进一步验证了光能需要先从器件活性层耦合进纳米线阵列形成导模，然后由纳米线阵列的散射作用将导模转化成漏模，才能实现高效光提取。  图5. 截面电场强度和远场电场强度分布。从上到下依次是平面器件、100纳米周期器件、500纳米周期器件、1000纳米周期器件和1500纳米周期器件。 （来源：Nat. Commun.） 而1000纳米周期器件跟1500纳米周期器件的不同，来源于1500纳米周期器件可以形成更多的导模，对于不能转化成漏模的导模，将会最终损耗掉。对这两种尺寸器件消光率的研究（图6），表明了1000纳米周期的纳米线阵列，可以在530纳米的发光波长处形成散射共振，并且发光波长处于光学天线的通带内；而1500纳米周期的纳米线阵列，并没有明显的散射共振，而且发光波长处于光学天线通带的边缘。这也就解释了为何1000纳米周期的器件比1500纳米周期的器件具有更好的光提取性能。  图6. 近场分布以及消光谱。从上到下依次是500纳米周期器件、1000纳米周期器件和1500纳米周期器件。 （来源：Nat. Commun.） 相关研究成果发表于Nat. Commun.（DOI: 10.1038/s41467-019-08561-y）。第一作者是香港科大博士生张千鹏，通讯作者是香港科大范智勇副教授。相关工作得到了国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会、香港研究资助局的资助。 关于人物与科研 在科技元素在经济生活中日益受到重视的今天，中国迎来了“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在化学领域，在追求创新驱动的大背景下，国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多非常优秀的课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，CBG资讯、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信订阅号等平台合力推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注他们的研究，倾听他们的故事，记录他们的风采，发掘他们的科研精神。欢迎联系：editor@chembeango.com |
|
|
