使用基于计算机仿真的全电磁场数值模拟是研究光电器件的重要研究手段之一。特别是随着光电器件构型向超小型化和片上集成化的快速发展，使用传统的基于线性光学和薄膜光学的分析手段以及近似的理论建模已经无法为器件的工作特性提供全面的分析。在更为复杂的系统中，研究人员往往需要结合诸如材料光生载流子的激发与输运、近远场拓展计算以及发光材料的激发元物理特性等因素综合分析器件的工作过程。此时，使用多物理场耦合的一站式器件模拟既可以大大减小研究人员的理论分析难度，又能为实验观测与理论模型提供更为全面的数据支撑，使我们的研究论文更加完备生动。目前，主流的全电磁场仿真技术可以大致分为以COMSOL为代表的频域有限元模拟以及以FDTD技术为代表的时域有限差分模拟。两中技术手段均能处理各类复杂的微纳器件仿真问题，并在某些特殊场景中表现出自己独特的技术优势。在这篇文章中，我们为大家整理分析了近年来使用全电磁场数值模拟研究微纳光电器件的一些经典案例，让大家对这一研究手段有进一步的了解。
实现器件的结构设计和性能优化一直是使用器件模拟技术的重要应用场景之一，尤其是在光电转换器件、光子晶体、微纳天线等研究领域。这类器件设计问题往往涉及到多物理场耦合、参数空间巨大等问题，特别适合使用计算机辅助设计(CAD)来处理。以微纳构型的太阳能电池的设计为例，一般我们会采用直接求解麦克斯韦方程，获得不规则、超薄尺寸或支持共振模式的器件结构中的准确电磁场分布，并结合半导体材料的能带/能级特性计算出器件内部的光生载流子激发速率。之后，再将这些激发信息导入有限元分析求解器中计算载流子再指定工作电压下的输运场，并以此建立器件的电气输出特性。器件模拟可以帮助研究人员优化太阳能电池的光学吸收特性以及光生载流子的收集能力。例如，加拿大多伦多大学Sargent教授课题组使用器件光学仿真技术为量子点薄膜太阳能电池精心设计表面结构，改善其对入射光的折射模式，提升薄膜的光学吸收能力（Nano Letters | 10.1021/acs.nanolett.6b05241）。韩国西江大学的研究人员则利在器件光学模拟的辅助下，将光子晶体与器件电极相结合，同时钙钛矿电池的光学与电学性能（Nano Energy | 10.1016/j.nanoen.2018.11.050）。经过精心设计的支持共振模式的器件形貌还可以将入射光有限的汇聚在器件内部，即便使单根纳米线也可以获得超越传统理论极限的器件性能（Nature Photonics | 10.1038/nphoton.2013.32）。
图 1. 左：通过FDTD数值模拟为量子电薄膜电池设计表面光学结构（Nano Letters | 10.1021/acs.nanolett.6b05241）；右：通过全电磁场数值模拟为钙钛矿太阳能电池设计2D光子晶体电极层（Nano Energy | 10.1016/j.nanoen.2018.11.050）。
图 2. 基于单纳米线的GaAs太阳能电池。通过基于器件模拟的光学设计获得了获得超越Shockley–Queisser极限的器件转换效率（Nature Photonics | 10.1038/NPHOTON.2013.32）。
在传统微纳光学器件设计领域，由于采用了先进的全电磁场模拟技术，研究人员也可以更加从容的处理一些更为复杂、性能要求更严苛的光学系统，以提供各种特异性的光学性能。例如复旦大学的研究人员使用以电磁场数值模拟为他们的等离子体超颖表面的设计提供了更为全面的细节分析 (Nanoscale | 10.1039/C8NR02088D）。这种超颖表面可以有效的将高斯光速转换为光涡，其理论转换效率可以超过40%，并且具有良好的宽频特性。下面这篇来自澳大利亚悉尼科技大学的研究成果（Nature Communications | 10.1038/s41467-018-05117-4）也是采用以数值模拟技术辅助为主的器件设计方法，开发出可用于量子电动力学（QED）实验的高性能六角氮化硼光子晶体共振腔，其共振品质因子可以超过2000，并表现出对加工工艺不敏感的特性。
图 3. 左：使用器件光学模拟设计超颖表面细节(Nanoscale | 10.1039/C8NR02088D)；右：使用器件光学模拟设计高性能六角氮化硼光子晶体共振腔 (Nature Communications | 10.1038/s41467-018-05117-4)。
图 4. 利用全电磁场数值模拟辅助设计金属纳米结构在SERS中的应用。左：Nanoscale | 10.1039/C8NR01198，中：Nanoscale | 10.1039/C7NR08066B，右： Nature Communications | 10.1038/s41467-018-07869-5
在表面等离子体共振领域，设计高性能的表面增强拉曼散射(SERS)是近年来的热门方向，是生物化学领域的重要探测技术。使用全电磁场模拟仿真可以准确的计算金属纳米颗粒附近的电磁场分布特性，并用以计算优化SERS效率。来自吉林大学(Nanoscale | 10.1039/C8NR01198B)、韩国延世大学(Nanoscale | 10.1039/C7NR08066B)以及英国伯明翰大学(Nature Communications | 10.1038/s41467-018-07869-5）的学者们都采用这种方法研究不同纳米结构对SERS器件效率的影响。
除开器件设计，使用器件模拟的另一类重要的应用便是用来辅助解释实验现象、对比佐证理论分析。在研究GaN纳米柱的发光特性和实验光谱时，德国马克斯普朗克光科学所的研究人员利用器件数值模拟来计算纳米柱中的共振光学模式，用以解释其表征光谱中多峰特性(Nano Letters | 10.1021/acs.nanolett.6b00484)。此外，在研究超晶格纳米线激光器时，日本东京大学（Nature Photonics | 10.1038/NPHOTON.2015.111）挪威科技大学 (Nano Letters | 10.1021/acs.nanolett.7b05015) 的研究人员也都选择使用器件数值模拟技术来辅助测算器件的激光阈值、耦合系数以及远场干涉纹样等特性，获得了与实验观测结果较好的吻合度。
在近场光学效应研究研究领域，合理使用电磁场数值模拟还可以帮助我们研究系统的基础物理性质。利用近场效应汇聚电磁场加速激发元的自发辐射速率，即Purcell效应使一类极具代表性的近场光学效应。来自美国莱斯大学的研究人员利用这一性质获得了金纳米棍的热电子荧光信号(ACS Nano | 10.1021/acsnano.7b07402)，瑞典皇家理工的科研人员则利用这一物理现象增强了光谱上转换的荧光效率400倍以上(Nanoscale | 10.1039/C8NR08653B)，而美国科罗拉多州大学的学者则利用其成功增强了暗激子(dark exciton)的辐射效率(Nature Nanotechnology | 10.1038/s41565-017-0003-0）。上述三项研究成果都离不开由器件光学模拟计算得出的Purcell因子理论数值，它是实验设计与理论论证的重要参考。
图 5. 上左： GaN纳米柱内部的光学共振导致其光谱的多峰特性 (Nano Letters | 10.1021/acs.nanolett.6b00484)；上右：InGaAs超晶格纳米线的远场干涉纹样 (Nano Letters | 10.1021/acs.nanolett.7b05015)；下：GaAs超晶格纳米线的共振模式与激光激励分析 (Nature Photonics | 10.1038/NPHOTON.2015.111)。
从上面的例子我们可以看出，使用全电磁场数值模拟已经成为微纳光电器件设计和研究的重要理论手段之一。对模拟仿真技术的充分利用能大大提高我们文章的理论水平和论证完备性，使研究质量和论文水准更上一个台阶。
图 6. 上：利用全介质的超颖表面获得Purcell 效应增强光谱上转换效率 (Nanoscale | 10.1039/C8NR08653B)；下：利用金属尖端的Purcell效应增强暗激子态辐射 （Nature Nanotechnology | 10.1038/s41565-017-0003-0）。
为了让更多科研人员能够迅速且科学地掌握有限元仿真模拟这一前沿高效的数据分析手段，北京中科幻彩动漫科技有限公司举办主题为“科研模拟•学术仿真”的文章档次提升专题培训。
科研模拟•学术仿真专题培训会
时间：2019年03月23-24日
2019年04月13-14日
地点：北京•中科院理化所
高品质教材免费赠送
模拟案例
我们的优势
1. 金牌团队主讲
国内顶级科学可视化服务商
中科院博士模拟团队
美国加州大学洛杉矶分校技术支持
Sci. Adv./Nat. Common./Adv. Mater./JACS等顶级期刊论文发表者
八年化学/材料/物理/工程/生物学科仿真模拟经验
通过模拟显著提升文章档次的百余真实案例
更多案例展示请点击“阅读原文”或者登陆：
http://www.zhongkehuancai.com
2. 高品质资料包免费赠送
凡报名培训的学员将免费获赠COMSOL高级建模指导资料，科研常用有限元模拟案例模型文件及各学科领域计算公式资料文件。
3. 量身定制课程内容
有无基础的学员均可参加培训
我们将根据学员的专业背景和软件基础量身定制课程内容
讲师简介
Dr. Li
中科幻彩仿真模拟事业部技术总监
中国科学院博士
美国加州大学洛杉矶分校博士后
全国物理奥林匹克竞赛金牌、美国数学建模大赛一等奖
以第一作者在Nature Communications/Science Advances/Advanced Materials/JACS 等顶级杂志发表多篇论文
八年化学/材料/物理/工程/生物仿真模拟经验
百余个通过模拟显著提升文章档次的案例
往期培训剪影
报名方式
长按识别二维码，在线报名。
报名后24小时内会有专人与您对接。
咨询助教
电话：13051583953（微信同步）
常见问题
Q：有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助，真的能提高文章档次吗？
A：对于一部分的研究领域，例如人工超材料，理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域，模拟计算可以作为实验的补充，能进一步验证实验的结论，提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容，在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计，提高实验效率。
Q：我是零基础学员，两天的时间也能学会吗？
A：我们的培训就是针对零基础学员的。我们的课程一方面讲授模拟软件的使用，更重要的是另一方面讲解科研中的理论建模的思维方法。如何把模拟加入自己的科研工作，提升文章的质量。
Q：什么专业方向都可以做有限元模拟吗？
A：有限元方法是一种一般性的数值计算的方法，用来求解各种偏微分方程，理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用，而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中，例如柔性传感器件，能源器件，生物工程，微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。
Q：每场培训有多少学员呀？不会是那种人山人海的大课吧？
A：为保证教学质量，也为学员营造舒适的学习环境，我们每场培训都会将招生人数限制在50人以内，以保证良好的课堂秩序，同时安排助教协助学员进行软件安装、现场答疑、课堂辅助教学等。
Q：我是慢热型的学生，接受新知识慢，一次学不够怎么办？
A：老学员可以免费复听，一次报名终身免费复学，只要你学不够，我们就一直教下去～
Q：可以开具发票进行报销吗？
A：当然可以！我们将为学员开具正规发票，并可以根据学员报销需求提供培训邀请函、项目明细清单、会议注册表等材料，并在培训当天将发票和报销材料发放给学员。
Q：培训提供食宿吗？
A：我们为学员提供两日培训的午餐，住宿需要学员自费，我们会在报名确认邮件中发送周边酒店信息，方便学员选择和预定。
长按识别二维码，在线报名
我们在北京等你来
了解更多有限元模拟技能与资讯
敬请关注中科幻彩微信公众号
点击“阅读原文”，查看更多案例展示
