超材料前沿研究”一周精选 2019年2月25日-3月3日

1、堆叠胶体量子点光电二极管实现双波段红外成像

一直以来，人们从没有停止对高灵敏度、低成本、可扩展的光学探测和成像技术的研究脚步。同时，人们希望能够处理不同波段的信号，提取重合光谱信息，从而能够实现更好的物体识别。因而，可区分重合光谱信息的红外多光谱成像技术成为了热门研究课题。现阶段，能够实现双波段探测的多光谱红外探测器主要基于成熟的半导体材料技术，如HgCdTe (MCT)、量子阱和II型超晶格等。然而，这些半导体器件制作工艺复杂、产量低、成本高，因而仅限于军事应用和科学研究。还不能广泛的应用于热成像、自动驾驶辅助、工业探测等民用技术。 

相比之下，胶体量子点（CQD）的溶液可加工性和宽光谱可调性，极大推动了各种廉价高性能光电器件的发展和应用。作为外延半导体的替代技术，近几十年来胶体量子点（CQD）已经广泛地应用于各个领域，包括光谱仪、光电晶体管、FPA成像器、激光器、发光二极管和光伏器件等等。胶体量子点具有尺寸可调、可溶液加工、易于制造等优异性质，是红外应用的理想选择，特别是对于成本较高的第三代红外成像设备的开发。 

近日，来自美国芝加哥大学的Philippe Guyot-Sionnest 教授及其团队报道了一项研究成果。该成果展示了一个双端口CQD双频段探测器，它在两个不同的频段提供偏置可切换的频谱响应。通过空间稳定的掺杂工艺，设计并加工出具有背对背二极管构型的垂直堆叠的两个整流节。通过控制偏置极性和幅度，探测器可以在低频红外和中红外波段之间快速切换，调制频率高达100 kHz，在低温下D *高于10¹⁰琼斯。这种CQD双频段探测器具有新颖的器件结构和设计，为探索红外区域的众多应用开辟了新的可能性。

文章链接：X. Tang, M. M. Ackerman, M. Chen, and P. Guyot-Sionnest, Dual-band infrared imaging using stacked colloidal quantum dot photodiodes, Nat.Photon  (2019) DOI:10.1038/s41566-019-0362-1.

2、利用三维光子晶体实现纳米腔激光器和波导的同时集成

光子器件的三维（3D）集成是高集成度光子电路的终极途径。而3D光子晶体（PC）是一种潜力巨大的3D集成平台。光子晶体是在空间中具有周期性折射率的光学介质，因为它们具有全光子带隙（cPBG），可以对光波进行有效调控。基于3D光子晶体的光子器件已经取得了许多研究进展。例如，在通讯波段基于3d光子晶体的无源器件，如波导或微腔等。通过在3D光子晶体中嵌入有源介质，如III-V化合物半导体量子阱、量子点等，能够在近红外波长下实现诸如纳米腔激光器和电驱动发光二极管等有源器件。然而，由于制造困难，有源和无源器件难以同时集成到3D 光子晶体中，这大大限制了三维高集成度光子电路的发展。 

近日，来自日本东京大学的Y. Arakawa教授及其团队报道了一种新的技术。他们使用显微操作技术将纳米腔激光和波导同时集成到具有近红外波段光子带隙的3D 光子晶体中。来自纳米腔激光器的出射激光被引导至与其正交连接的直波导，然后发射到3D 光子晶体外部。该成果设计基于柴堆（woodpile）结构，加工出的集成光子电路元件具有近红外波段全带隙。通过显微操作的层叠方法制造3D 光子晶体电路，并且开发了新颖的堆叠方法——板插入堆叠法，用以实现3D 光子电路。板插入堆叠方法能够堆叠多达61层，这比以往报道的方法更多，能够在单个3D 光子晶体中同时集成多个光子组件。在低温微光致发光（μ-PL）测量中，能够观察到来自波导输出端口的激光发射，从而证明了该光子晶体能够成功引导来自纳米腔的激光。由无源波导和光源组成的这种3D 光子晶体电路可能用于未来3D集成光子电路的基本构建块。这项工作为开发基于全带隙3维光子晶体的3D光子电路铺平了道路。

文章链接: T. Tajiri,S. Takahashi, Y. Ota, K. Watanabe, S. Iwamoto, and Y. Arakawa,Three-dimensional photonic crystal simultaneously integrating a nanocavity laser and waveguides, Optica  6 (3):296-299 (2019) DOI: 10.1364/OPTICA.6.000296.

3、基于硅混合等离子体光栅的片上集成偏振器 

绝缘体上硅（SOI）是光子集成的主流平台。硅波导和包覆层（SiO₂或空气）之间的高折射率对比使得器件具有亚微米尺寸。但是与此同时，较强的偏振依赖性成为了硅波导的一个问题。在这种波导中横电（TE）和横磁（TM）模的不同传播特性将降低光子集成芯片的性能。一种解决的方案是设计制作可以片上集成的偏振器，从而抑制系统中不需要的偏振态。原则上，偏振器应该仅支持一种偏振态，对于其他偏振态具有损耗或者抑制作用。传统的介质偏振器由于双折射相对较低，因而通常具有较大的面积。表面等离基元（SPPs）具有纳米级尺度的光场局域效应和天然的偏振响应属性，因而也能够被用于进行偏振调控。在过去的研究中已经报道了很多基于等离基元的偏振器，例如使用金属-绝缘体-金属（MIM）结构、定向耦合器、混合等离子体波导等。但是这些结构加工复杂程度高，并且难以与传统SOI工艺兼容。 

近日，来自北京大学的Zhiping Zhou及其研究团队报道了一种基于硅混合等离子体光栅的片上集成的偏振器。该偏振器基于硅混合等离激元光栅，利用等离激元来控制有效指数和模式分布，从而有效的实现了横磁模的反射和吸收以及横电模相对较低的传播损耗，从而具有高消光比横向电通（TE）的性质。对于6微米长的器件，测量结果表明，在1.52至1.58μm波长范围内的消光比在24至33.7 dB之间变化，插入损耗为2.8-4.9 dB。此外，该结构能够允许较大的对准公差并且与绝缘体上硅制造技术兼容，为实现灵活的片上偏振操纵铺平了道路。 

文章链接：B. Bai, F. Yang, and Z. Zhou, Demonstration of an on-chip TE-passpolarizer using a silicon hybrid plasmonic grating, Photonics Research  7 (3): 289-293 (2019) DOI:10.1364/PRJ.7.000289.

4、利用互连纳米线网络制作柔性自旋卡诺电子器件

——一种基于大面积互连磁性纳米线网络的柔性宏观自旋卡诺器件，利用外部磁场实现宏观电子元件珀耳帖冷却的调控。

热电材料（thermoelectric materials）是未来可持续能源技术的重要候选，而创新地基于自旋输运机制是开发下一代热电材料的关键环节。自旋卡诺电子学（spin caloritronics）将热驱动输运与自旋输运相结合，成为自旋电子学领域的核心。很多纳米磁结构中的自旋相关机制（如自旋塞贝克效应）已经被观察到，但是观察自旋电子器件中热通量的磁调控这一核心问题与发电能力不足相关，并且检测纳米结构中极小的温度变化很困难。近期，来自鲁汶天主教大学凝聚态物质与纳米科学研究所的研究团队开发了一个实验平台，可以在定制的自旋卡诺器件中观察磁控热通量。实验采用直接电沉积法制备由CoNi / Cu纳米线制成的宏观互连网络，这种网络在室温下具有极高的磁调制热电功率因数，最高可达7.5 mW / K²m（大于广泛使用的热电材料碲化铋），同时自旋相关的塞贝克系数和珀耳帖系数分别可达-11.5μV/K和-3.45mV。这种制造策略能够从亚微米级磁性纳米结构转变为更高效的宏观自旋卡诺器件。这种三维纳米线网络在尺寸上高度可扩展，预期可以制造热电元件，用于电子设备的热点冷却。这些结果有望用于利用轻便灵活的热电发电机来主动冷却电子设备和废热收集，推动未来自旋卡诺器件的进步。相关研究发表在近期的《Science Advances》杂志上。

文章链接：Tristan da Câmara Santa Clara Gomes, et al. Making flexible spin caloritronic devices with interconnected nanowire networks, Science Advances, 5: eaav2782 (2019). 

 https://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaav2782

5、基于结构梁的弹性波Willis超材料

在电磁学中，因电学响应和磁学响应之间存在交叉耦合，双各向异性是很常见的。然而，固体中弹性波的类似概念，即Willis耦合的实现更具有挑战性。在弹性波中Willis耦合的实现需要应力和声速或动量和应变之间的交叉耦合。近期来自的香港科技大学Jensen Li课题组，实验上实现弯曲波的Willis超材料。文中作者基于悬臂梁弯曲共振，证明了Willis耦合引起的非对称反射振幅和相位。文中还表明，通过在超材料中引入损耗，可以控制非对称振幅，并且非对称振幅可以用来接近非厄米体系的一个奇异点，在这个奇异点上发生单向零反射。该工作扩展了传统的板梁传播的理论。该研究工作发表在《Physical Review X》杂志上。

文章链接：Yongquan Liu, Zixian Liang, Jian Zhu, Lingbo Xia, Olivier Mondain-Monval,Thomas Brunet, Andrea Alù, and Jensen Li, Willis Metamaterial on a Structured Beam, Phys. Rev. X 9, 011040 – Published 28 February 2019.

6、用于心血管健康的可穿戴和植入式柔性可伸缩电子器件（综述）

心血管疾病是导致死亡的主要原因之一，并且近年来成急剧上升趋势。因此对于心血管疾病的早期诊断和预防的连续监测显得尤为重要，而柔性可伸缩电子设备可以有效的实现这一检测。其薄、软、可形变的特点能使其与生物组织保持很好的兼容性，从而能在皮肤或心脏表面进行连续、高保真、大面积监测。此外，紧密接触对高精度治疗也至关重要。同时结合组织工程，软生物电子学也彰显出修复受损心脏组织的能力。

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校的Nanshu Lu教授等撰写了用于心血管健康监测和治疗的可穿戴和可植入式电子设备的最新进展综述。首先论述了心电图电极的设计、材料和结构方面的进展，如丝状蛇形(FS)材料的设计、基于复合以及人工微结构的一维和二维材料。接着，着重讨论了可穿戴（如心电监测仪和脉搏血氧仪;图1a)及可植入(如血压，心脏监测仪;图1b)尤其是为心脏提供连续监测的柔性生物电子设备。此外，柔性生物电子设备还能使心脏治疗更加有效可控（如心脏起搏、消融治疗和电子支架;图1 c)。最后，阐述功能电子支架、体外心脏平台等软设备辅助的细胞疗法以及实现与软生物电子学协同治疗的可能性(图1d)。柔性可伸缩电子技术在心脏装置中的应用，极大地提高了心脏监测治疗的能力及质量，为后续设备开发，医疗保健的发展提供了许多潜在的机遇。相关工作发表在《Advanced functional materials》上。

文章链接：Yongseok Joseph Hong, Hyoyoung Jeong，et al. Wearable and Implantable Devices for Cardiovascular Healthcare: from Monitoring to Therapy Based on Flexible and Stretchable Electronics.(2019). 

https://doi.org/10.1002/adfm.201808247.

7、PRB:二维材料中的固有挠曲电系数

挠曲电效应（Flexoelectricity）是一种特殊的机电耦合形式，它与压电性不同，具有不受材料对称性限制、不受材料居里温度限制以及小尺寸效应等特点。理论上，它在任何介电材料中都是可能产生的，在传感和驱动应用上具有广阔前景。二维（2D）材料由于其独特的机电性能和高柔韧性而引起了研究人员们的极大兴趣，但对于这些材料的固有挠曲电性至今未有定论。同济大学庄小英副教授、波士顿大学Harold S. Park教授和汉诺威连续体力学研究所/（莱布尼兹大学）的研究人员合作，结合原子建模和分子动力学模拟来解释电荷-偶极相互作用，报道了一系列二维材料的固有挠曲电系数（flexoelectric constants），包括石墨烯同素异形体、氮化物、IV族元素的石墨烯类似物和过渡金属二硫化物（TMDC）。通过比较这些不同类别的2D材料，阐明了电荷-偶极相互作用、单层外平面屈曲、层内屈曲不对称和电荷转移对2D材料的挠曲电响应的影响。他们提出了一种机械弯曲方案（mechanical bendingscheme），该方案消除了压电效应对总极化的贡献，从而能够直接测量挠曲电系数。由于弱π-σ相互作用，石墨烯具有较低的挠曲电系数，但研究人员发现屈曲（buckling）可以增加单层IV族元素中的挠曲电系数。他们还发现，由于电荷转移的显着增强以及弯曲引起的结构不对称，过渡金属二硫化物具有最大的挠曲电常数（如MoS₂的挠曲电系数比石墨烯的大十倍）。相关工作发表在《Physical Review B》期刊上。

文章链接：Xiaoying Zhuang, Bo He, Brahmanandam Javvaji, andHarold S. Park，Intrinsic bending flexoelectric constants in two-dimensional materials. Phys. Rev. B 99, 054105.

 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.054105

8、多通道驱动的量子比特测量

自量子力学诞生以来，量子测量和与之相关的波函数坍缩让科学家们感到困惑，最终导致了对量子力学的多种解释，例如多世界理论。随着最近量子技术的兴起，量子测量已成为实际应用中最重要的部分之一。例如，单量子比特的测量是读出量子计算结果的关键，在多量子比特系统中相似的测量需要用于量子纠错码，例如surface code和color code.此外，单量子比特的测量和反馈可用于重置量子比特，甚至可以单独提供实现多量子比特门所需的非线性。测量量子比特的最普遍的方法之一是将它们耦合到一个或几个玻色子模式中，例如电磁场的模式，并测量它们对辐射的影响。该方法目前用于基于超导电路、量子点、离子阱等的量子处理器。特别是随着电路量子电动力学的兴起，这种测量技术已经可用于许多不同的杂化系统，例如机械振荡器和磁振子。

从理论上讲，量子比特和玻色子模式的相互作用系统可以用Jaynes-Cummings模型很好地描述。如果两者的频率相差很远，即我们在色散区域中操作，则相互作用项使模式频率取决于量子比特的状态。因此，一个在量子比特上实施非损坏的直接测量方法是以接近谐振的特定频率驱动模式，并测量输出场相对于驱动场的相移。这种色散测量非常成功，例如在超导量子比特中，精度和速度可以达到99.2%的保真度和88ns的速度。

最近，来自Aalto大学应用物理系和芬兰VTT技术研究中心的Joni Ikonen，Visa Vesterinen等人提出并在实验上展示了色散地耦合到玻色子模式的量子比特的读出方案。通过用接近模式频率的脉冲同时驱动量子比特和模式，读出操作可以比系统中任何其他相关时间刻度更快地开启，并且谐振器可以无条件地回到真空状态而无需反馈控制。研究人员使用超导量子比特的实验证明了通过谐振器控制量子比特。对于实验中的样品的给定的读出时间，研究人员通过实验观察到传统读出操作可能导致比文中提出的方案大100%以上的误差。研究人员表示在未来，他们的目标是实现无条件复位方案并优化样本设计，以便改进目前最先进的读出操作。此外，文中的方案可以在各种系统中实现，例如耦合到纳米机械谐振器的量子比特。除了量子比特的读出外，研究人员期望对此方案的拓展也可能有利于谐振器状态的控制，例如cat state的创建。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上

文章链接：Joni Ikonen, Jan Goetz, Jesper Ilves, Aarne Keränen, Andras M. Gunyho, Matti Partanen, Kuan Y. Tan, Dibyendu Hazra, Leif Grönberg, Visa Vesterinen, Slawomir Simbierowicz, Juha Hassel, and Mikko Möttönen，Qubit Measurement by Multichannel Driving，Phys. Rev. Lett. 122, 080503 – Published 25 February 2019

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.080503

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