導(dǎo)語(yǔ)
范智勇副教授簡(jiǎn)介
范智勇，香港科技大學(xué)電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)系副教授。分別于1998和2001年從復(fù)旦大學(xué)物理電子系獲得學(xué)士和碩士學(xué)位。2006年于加州大學(xué)歐文分校獲得材料科學(xué)博士學(xué)位。2007至2010年在加州大學(xué)伯克利分校以及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。2010年加入香港科技大學(xué)，目前為電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)系副教授。2018年當(dāng)選英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士。2018年被Web of Science（Clarivate Analytics）評(píng)為全球高被引學(xué)者。目前發(fā)表高水平論文150多篇，總引用超過(guò)15,000次，h因子59。擔(dān)任NPG Scientific Reports，Springer Nanoscale Research Letters編委。同時(shí)是Nature, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Materials, IEEE EDL等期刊的審稿人。目前從事的研究包括鈣鈦礦納米線、鈣鈦礦光電器件、柔性可穿戴器件、氣體傳感器以及納米結(jié)構(gòu)光電器件中的光與物質(zhì)相互作用等。
前沿科研成果
利用納米光子襯底大幅提高光提取效率從而實(shí)現(xiàn)高效率的鈣鈦礦LED
此工作中的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，器件制備于納米光子襯底的頂部而非內(nèi)部，從而可以盡量降低納米結(jié)構(gòu)的引入對(duì)器件電學(xué)性能的影響。更重要的是，這里的納米光子襯底，是基于制備方便的、低成本的多孔陽(yáng)極氧化鋁模板（AAM），并且光子晶體襯底的結(jié)構(gòu)尺寸可以得到精確的控制。
圖1. 基于納米光子襯底的LED器件（圖b和圖c的scale bar為1微米）。a）器件結(jié)構(gòu)示意圖；b）AAM薄膜；c）器件截面圖。
（來(lái)源：Nat. Commun.）
作者通過(guò)控制AAM的結(jié)構(gòu)尺寸，制備了包含平面對(duì)比器件的三種不同器件（圖2），發(fā)現(xiàn)只有合理設(shè)計(jì)光子晶體襯底的幾何參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)光效率的大幅提升。
圖2. 器件性能。a）電流密度和亮度；b）外量子效率；c）外量子效率的提高系數(shù)。
（來(lái)源：Nat. Commun.）
為了進(jìn)一步探索襯底幾何尺寸對(duì)器件性能的影響，作者利用有限差分時(shí)域模型（FDTD）方法對(duì)出光效率和襯底幾何尺寸的關(guān)系做了系統(tǒng)研究（圖3），并發(fā)現(xiàn)此種納米光子襯底的優(yōu)化結(jié)構(gòu)是基于1000納米周期以及0.4直徑/周期比的AAM。同時(shí)，AAM中需要填充高折射率材料，這是為了讓AAM中的納米線作為光波導(dǎo)的芯層，從而可以形成導(dǎo)模，方便光從器件活性層中耦合進(jìn)納米線陣列。
圖3. 光提取率仿真。a）AAM中填充高折射率材料二氧化鈦；b）AAM中填充空氣。
（來(lái)源：Nat. Commun.）
進(jìn)一步，作者研究了光在不同幾何尺寸襯底中的光傳播過(guò)程。發(fā)現(xiàn)平面器件的光能大部分束縛在器件活性層中，500納米周期器件大部分光作為導(dǎo)模束縛在納米線陣列中，1000納米和1500納米周期器件可以將導(dǎo)模轉(zhuǎn)換成漏模，從而變成光輻射能。圖4. 時(shí)域電場(chǎng)演變。從上到下依次是平面器件、500納米周期器件、1000納米周期器件和1500納米周期器件。
（來(lái)源：Nat. Commun.）
為了更好地比較不同幾何尺寸器件的出光效果，作者研究了不同器件的遠(yuǎn)場(chǎng)分布。其結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了光能需要先從器件活性層耦合進(jìn)納米線陣列形成導(dǎo)模，然后由納米線陣列的散射作用將導(dǎo)模轉(zhuǎn)化成漏模，才能實(shí)現(xiàn)高效光提取。
圖5. 截面電場(chǎng)強(qiáng)度和遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布。從上到下依次是平面器件、100納米周期器件、500納米周期器件、1000納米周期器件和1500納米周期器件。
（來(lái)源：Nat. Commun.）
而1000納米周期器件跟1500納米周期器件的不同，來(lái)源于1500納米周期器件可以形成更多的導(dǎo)模，對(duì)于不能轉(zhuǎn)化成漏模的導(dǎo)模，將會(huì)最終損耗掉。對(duì)這兩種尺寸器件消光率的研究（圖6），表明了1000納米周期的納米線陣列，可以在530納米的發(fā)光波長(zhǎng)處形成散射共振，并且發(fā)光波長(zhǎng)處于光學(xué)天線的通帶內(nèi)；而1500納米周期的納米線陣列，并沒(méi)有明顯的散射共振，而且發(fā)光波長(zhǎng)處于光學(xué)天線通帶的邊緣。這也就解釋了為何1000納米周期的器件比1500納米周期的器件具有更好的光提取性能。
圖6. 近場(chǎng)分布以及消光譜。從上到下依次是500納米周期器件、1000納米周期器件和1500納米周期器件。
（來(lái)源：Nat. Commun.）
相關(guān)研究成果發(fā)表于Nat. Commun.（DOI: 10.1038/s41467-019-08561-y）。第一作者是香港科大博士生張千鵬，通訊作者是香港科大范智勇副教授。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)、香港研究資助局的資助。
關(guān)于人物與科研
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