华东理工自主研发钙钛矿单晶芯片通用生长技术｜宇熠周报（2024.04.08-2024.04.14）

介绍：华东理工大学清洁能源材料与器件团队，日前自主研发了一种钙钛矿单晶芯片通用生长技术，将晶体生长周期由7天缩短至1.5天，实现了30余种金属卤化物钙钛矿半导体的低温、快速、可控制备，为新一代高性能光电子器件提供了丰富材料库。相关成果发表于国际学术期刊《自然·通讯》。

金属卤化物钙钛矿是一类光电性质优异、可溶液制备的新型半导体材料，在太阳能电池、发光二极管、辐射探测领域展现出应用前景，被誉为新能源、环境等领域的新质生产力，成为学术界、工业界争相创新研发的目标。相对于多晶薄膜，钙钛矿单晶晶片具有极低的缺陷密度，同时兼具优异的光吸收、输运能力以及稳定性，是高性能光电子器件的理想候选材料。

然而，国际上尚未有钙钛矿单晶晶片的通用制备方法，其生长过程的控制步骤仍不明确，传统的空间限域方法仅能以高温、生长速率慢的方式制备几种毫米级单晶，极大限制了实际应用。研究团队结合多重实验论证和理论模拟，揭示了传质过程是决定晶体生长速率的关键因素，自主研发了以二甲氧基乙醇为代表的生长体系，通过多配位基团精细调控胶束的动力学过程，使溶质的扩散系数提高了3倍。在高溶质通量系统中，研究人员将原有的晶体生长温度降低了60摄氏度，晶体的生长速率提高了4倍，生长周期由7天缩短至1.5天。

“该单晶晶片生长技术具有普适性，可以实现30余种厘米级单晶晶片的低温、快速、高通量生长。”该成果的主要完成人、华东理工大学侯宇教授介绍，例如，在70摄氏度下，甲胺铅碘单晶晶片的生长速度可达到8微米/分钟，在一个结晶周期内单晶晶片尺寸可达2厘米。此外，团队组装了高性能单晶晶片辐射探测器件，实现大面积复杂物体的自供电成像，避免了高工作电压的限制，大大降低辐射强度。以胸透成像为例，基于高质量晶片的器件比常规医疗诊断所需的辐射强度低100倍。

介绍：有机聚合物半导体材料因独特的分子结构和弱的范德华作用，被赋予可溶加工和易柔性化的特点，在便携式和可植入式医疗监测设备等方面具有应用潜力。超柔性、高皮肤共形性和优异空间分辨率的X射线探测器，有望与弯曲物体和运动实体系统集成，以实现本征柔性和高灵敏的类皮肤X射线探测器。然而，基于有机聚合物半导体材料的X射线探测器件在辐照下的稳定性以及图像分辨率较差，制约了该类器件的应用。中国科学院院士、化学研究所有机固体院重点实验室研究员刘云圻与研究员郭云龙等，在高性能本征可拉伸有机光电材料和器件方面取得了系列进展。

近期，针对目前报道的可拉伸有机光电器件操作电压高、稳定性差和集成度低等问题，该团队提出了可拆卸界面辅助制备高密度本征可拉伸有机晶体管阵列的新策略。这一策略在图案化光刻胶上引入氟化锂牺牲层以构筑可拆卸界面，实现了高分辨本征可拉伸电极的可扩展集成。该研究制备的短沟道可拉伸有机晶体管具有低的工作电压、高的光电性能和优异的稳定性。基于该短沟道晶体管的可拉伸图像传感器展示出高达10 lp mm-1的分辨率，并实现了百万像素的图像。该策略提供了简单而通用的光电集成平台。相关成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

此外，该团队在《国家科学评论》（National Science Review）“用于集成电路的新兴材料和晶体管”专题上发表了评述论文，总结了高迁移率半导体材料以及功能融合机械、光学和热学等特性的分子设计，分析并展望了功能化高迁移率聚合物半导体的研究进展和研究方向。

介绍：近日，南方科技大学量子科学与工程研究院陈洁菲副教授团队利用冷原子系综制备和调控单光子量子光源，首次实现空间和时间(2+1)维的单光子艾里子弹，可抵抗远距离传输中的光扩散问题，有望应用于远距离的量子态传输。相关研究成果以“Spatiotemporal single-photon Airy bullets”为题发表在国际物理顶级学术期刊《物理评论快报》，并获得编辑推荐。美国物理学会的在线杂志Physics Magazine报道了此项工作并对其重要性作详细评论。

该团队首次结合光量子操控和艾里光调控技术，使无衍射光学在量子范畴得以实现。单光子这种量子光场在光强上非常微弱，若直接在单光子的传播路径上插入光学元件进行重塑，微弱的信号消失殆尽而量子关联性也会被探测器的电子噪声淹没。

这项工作利用了冷原子系综作为介质首次实现了时空全维度操控的单光子艾里子弹。在量子网点之间利用光传输量子态的过程中，光在时间或频谱或空间中的模式分布可采用艾里波形，进而在传输过程中的色散、衍射等问题可利用艾里子弹来解决。类似的物理操控机制可推广至其他平台产生的量子光源，在更短的时间尺度上能更好地显示其无扩散特点。单光子艾里子弹的优势将显现在自由空间传输信号的场景，如地空距离量子通信、水下量子信息传输等。

介绍：在光学和微纳加工领域，精确操纵激光以满足日益增长的微型化需求，是推动现代电子和生物医学设备发展的重要挑战。近日，日本东北大学的研究人员成功演示了通过干涉技术增强径向偏振光束的纵向电场，以提升激光烧蚀技术的精度，成功实现了小于100 nm直径的精细特征加工。这项技术不仅在半导体制造领域具有潜在应用价值，还可能革新医学领域的微观操作，同时为激光加工技术提供了一种实现纳米级精度的新方法。

使用几百飞秒（10-15 s）的激光脉冲，可以精细雕刻出微米级别的特征，而且几乎不会产生热量。但是，现代电子及生物医疗设备通常需要100 nm或更低的细微尺寸特征。满足这些尺寸要求主要是通过缩小激光焦点的大小，然而，这一目标通常受到激光的波长和用于集束光线的透镜数值孔径制约。

缩小光斑尺寸的一种方法是使用径向偏振光束，即光束的电场矢量全部指向其中心。这种光束可以通过在焦点处产生纵向电场，从而提高分辨率，相较于传统的线性或圆偏振光而言有所改进。径向偏振已经在一种特定形式的显微镜技术中得到应用，它也有潜力改善超快激光加工技术。

最近，日本东北大学的Yuichi Kozawa及其同事展示了如何通过将径向偏振光束聚焦在透明材料内侧的远表面，而非较近的外侧表面，来克服这一问题。他们还通过利用入射波和反射波之间的干涉来增强纵向场的强度。

研究人员首先通过计算机模拟，研究了径向偏振光束的纵向场强度及其光斑尺寸在通过高数值孔径透镜聚焦时的变化情况。他们发现，在空气中，强度在焦点处达到最高，形成一个紧凑的圆形斑点。仿真结果表明，如果光束聚焦于玻璃块表面，折射率的差异会降低强度，形成一个环形斑点。

链接：https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2024.230178

介绍：随着微型显示技术、超薄成像光学系统以及高速数字处理器的蓬勃发展，增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和混合现实（MR）已经从一个未来的概念演变为一种切实可行的技术。这一发展不仅拓展了我们的感知视野，还引领了更深层次的人机交互，超越了传统平板显示的限制。这种技术进步进一步推动了其他领域的发展，包括元宇宙、数字孪生和空间计算。这些创新技术在智能教育培训、医疗、导航、游戏、娱乐和智能制造等多个领域都得到了广泛的应用。

来自美国中佛罗里达大学的吴诗聪教授团队主要专注于AR、VR和MR显示的研究。最近，他们推出了一种旨在改革下一代VR和MR显示系统的创新型pancake光学系统。这项研究的动机源于对可穿戴VR头显越来越苛刻的要求，人们不仅期望VR头显提供沉浸式体验，而且希望其穿戴舒适，具备轻薄和长续航时间等特性。

目前采用pancake光学的VR头显面临续航能力有限的挑战，主要源于半透半反镜引入的能量损耗，如图1（a-b）所示。理论上，仅有25%的光能够从显示面板最终传递到用户的眼睛。然而，如果显示器发出的光为非偏振光，最大光学效率将降至12.5%。为解决这一问题，吴诗聪教授团队所提出的新型pancake光学系统采用了创新性的设计，以最大程度地提高光学效率，为未来的可穿戴VR头显带来更出色的性能。

为了解决传统pancake光学系统低效的问题并同时保持其出色的折叠能力，该研究团队提出了一种新型无损耗的pancake光学系统。

该研究团队通过充分利用非互易偏振旋转器的特性，提出了一种新型无损耗的pancake光学系统。实验结果生动地展示了这一创新性的pancake光学系统对于下一代VR和MR头显具有巨大的潜力。此外，由于该设计对于在可见区域具有较大Verdet常数的非互易偏振旋转器薄膜的急迫需求，预计将激发未来磁光材料的下一轮发展。

链接：https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2024.230234

介绍：引力波，作为爱因斯坦广义相对论的一项重要预言，是宇宙中物质加速运动或剧烈事件（如双黑洞并合、中子星合并、极端质量比旋近等）引发时空弯曲产生的“涟漪”。21世纪初，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）首次直接探测到引力波信号，揭开了引力波天文学的新篇章。地基引力波探测器受到地面震动、地表重力梯度变化以及干涉臂长的影响，无法对中低频段的引力波进行有效探测。空间引力波探测可以突破地面环境的干扰，对0.1 mHz~1 Hz频率段的引力波实现探测。尤其在 1 mHz 附近，存在着数量巨大且广泛分布于宇宙空间各个距离上的不同种类引力波源，因此空间引力波的探测意义重大。

为解决星载望远镜激光指向误差对空间引力波探测的影响，中国科学院光电技术研究所顾乃庭研究员团队提出了基于哈特曼多子孔径复用的指向偏差测试方法。该方法在哈特曼传感器波前测量的基础上，采用多子孔径空间复用思想降低各类随机误差对测量精度的影响，显著提升指向偏差测量精度，为空间引力波探测望远镜地面测试及在轨传感器定标提供了可行途径和参考。该工作以“空间引力波探测望远镜指向偏差地面高精度测量技术研究”为题作为封面文章发表于《光电工程》2024年第2期“空间引力波探测星载望远镜”专题 （二）。

星载望远镜的光学布局，由一个大的抛物面主镜和三个非球面次镜组成。激光信号从入瞳处进入，经过主镜和次镜的反射之后，在出瞳处被哈特曼探测器接收。基于哈特曼原理的指向偏差测量等效于利用哈特曼波前探测器分析入射光束的倾斜像差，并转换为指向偏差的过程，基于哈特曼传感器的星载望远镜指向偏差测量示意图如图1所示。利用哈特曼光束分光原理，微透镜阵列将入射波前分为若干个相同的子光束，并在光电探测器光敏面上形成相同数量的聚焦光斑图像，通过计算各子光束光斑质心位置，并且采用多子孔径空间复用思想，通过对所有单一子孔径测量结果进行平均的方式，降低各类随机误差对测量精度的影响，获取入射光束高精度指向偏差测量结果。除此之外，研究团队从微透镜结构、探测器选型等方面进行优化，突破高精度的指向偏差测量。采用子孔径焦距较长的低密度微透镜阵列，提高单个子孔径中光斑尺度，结合高信噪比的探测器，从而提升激光指向的测量精度。