今日Nature兩篇 | 一篇'發光',一篇「超聲」

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第一篇:表面等離子震蕩提升OLED器件壽命

今日Nature兩篇 | 一篇'發光',一篇「超聲」

第一作者:Michael A. Fusella

通訊作者:Nicholas J. Thompson

第一單位:美國環宇顯示技術股份有限公司(Universal display corporation)

DOI:10.1038/s41586-020-2684-z

背景介紹

儘管有機發光器件(organic light-emitting device)已經進入商業化階段,但是在效率和穩定性方面仍然有所欠缺。在OLED工作過程中,緩慢衰減的三線態激子和電荷的局部累積會逐漸降低設備的亮度(即老化),從而導致所謂的燒屏(burn-in effect)問題。此外,OLED器件金屬電極的非輻射表面等離子振蕩模被認為是一種損耗,因為淬滅的激子能量以熱的形式耗散掉。大部分工作都致力於減少這種損耗。

本文亮點

1. 另闢蹊徑,提出了基於納米粒子外耦合的方案(nanopatch antenna,NPA),從等離子振蕩模中提取能量用於發光,製備了高效且穩定的OLED器件(plasmon NPA)。

2. 在相同發光強度下,改進後的器件的工作穩定性提升了兩倍,理想情況下能達到4倍的提升。

3. 這是一種普適性的方法,目前採用OLED技術的照明、顯示等都適用。


圖文解析

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圖1 等離子器件結構與納米立方體形貌

a圖為等離子器件結構圖。發光層的位置與寬度用綠線標出,距離銀電極不足20 nm,為了實現與表面等離子振蕩模的耦合。主體材料(DIC-TRZ)和發光材料Ir(ppy)3的化學結構在右側。

b圖為OLED器件上表面的Ag納米立方體的AFM圖,提重率為15%,中心間距約200 nm。


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圖2 等離子增強的壽命與效率

a,在80 mA cm-2的恆定電流下,對等離子增強的OLED器件(plasmon NPA, 藍色)與傳統的OLED器件(standard PHOLED, 紅色以及Thin-EML PHOLED, 綠色)的加速老化穩定性表徵。

b,器件的外部量子效率測試(內插圖為電流密度為0.1 mA cm-2的歸一化圖像)。

c,器件的瞬態熒光測試,plasmon NPA器件的激發態壽命明顯降低。虛線為每條曲線的雙指數擬合。


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圖3 plasmon NPA的光學性質的測量與模擬

a,沒有Ag納米立方體(左)和有Ag納米立方體(右)的OLED器件內部垂直偶極子的電場強度分布圖。當銀納米立方體存在時,立方體角落作為輻射源頭,導致了銀立方體和銀薄膜之間的電場大幅增強。

b,plasmon NPA的頂部發射光譜/底部發射光譜(TE/BE EL spectrum)曲線,顯示出NPA外耦合的光譜形狀。可以看出TE/BE光譜與Ir(ppy)3的發射光譜沒有很好的對齊。

c,在Ag陰極有Ag納米立方體和沒有Ag納米立方體的情況下,模擬了距離Ag電極20 nm處偶極子的波長對頂部發射外部量子效率的影響。垂直方向的偶極子為藍色,水平方向的為紅色,各向同性的為黑色。有Ag納米立方體時的外部量子效率為多次模擬的平均值。

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2684-z


第二篇:超靈敏超聲波探測器——SOI技術促進聲光器件進化

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第一作者:Rami Shnaiderman

通訊作者:Rami Shnaiderman , VasilisNtziachristos

第一單位:Chair of BiologicalImaging and TranslaTUM, Technische Universität München, Munich, Germany

DOI: 10.1038/s41586-020-2685-y


背景介紹

超聲波探測器使用高頻聲波成像物體和測量距離,是一種對目標無損傷、高解析度的探測手段,但是其解析度受到探測元件的物理尺寸的限制。使用點狀寬頻超聲檢測可以大大提高超聲成像和光聲成像的解析度,但目前的超聲探頭,如醫學成像的探頭,還不能充分實現小型化。對於傳統的壓電轉換器,靈敏度會隨尺寸減小的二次方下降。使用微加工方法製備的電容和壓電陣列感測器,不僅尺寸超過70微米,且帶寬只有幾兆赫。大的感測長度(100–300 μm)、窄的帶寬(10–30 MHz)以及同時因為光學微環諧振器和Fabry–Pérot標準不能將光充分限制在小於約50微米的尺寸上,都一同限制了超聲波探測器的小型化。

本文亮點

1.鑒於以上的原因,本文作者基於SOI(Silicon-On-Insulator)技術,設計了一個點狀硅波導標準檢測器(SWED)。它的尺寸僅為220 nm×500 nm,比最小的聚合物微環檢測器小四個數量級,比細胞和毛細血管的直徑小一個數量級,其感測面積至少比π相移光纖布拉格光柵小450倍。

2.作者在實現了器件小型化的同時,極大的提高了超聲波探測技術。SWED的尺寸比探測到的聲波波長小200倍,滿足了真點探測器的定義。在近場探測中,SWED的解析度與光學顯微鏡相當,在遠場探測中能分辨5μm的干擾條紋。並且得益於SOI技術,SWED擁有更寬(230 MHz)更靈活(80MHz浮動)的帶寬,並且同時保證靈敏度不會下降。

3.對於光諧振器裝置而言,大規模集成是具有挑戰性的,通過SOI技術不僅可以將光電檢測器和干涉儀同時集成, SOI平台的晶元內均勻性也保證大規模集成的密度,從而降低器件的成本,並縮小器件的尺寸。

圖文解析

圖1:SWED的設計和操作原理

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原理:為了檢測超聲波,連續波激光器將光泵入SWED的腔中。SWED上的入射超聲波引起SWED反射光強度(I)的變化,該變化通過光纖循環器轉移到光電探測器。示波器將強度變化記錄為電壓(V)隨時間(t)的變化。為了提高靈敏度,將激光調整至非共振狀態(圖1a,「波長設置」)。非共振調諧將泵浦波長置於標準具共振曲線的最大斜率(圖1a,「波長設置」中的虛線),確保響應入射超聲波的光學相位變化(圖1a, 「超聲波」被SWED放大)。


圖2:SWED的特性

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要點:1.由於腔體長度僅為320nm,SWED在近紅外波長處具有一個非常窄的共振(圖2.a)。

2.間隔長度(圖1.a「spacer」)的變化可以調節中心檢測頻率並改變檢測帶寬,中心檢測頻率隨著間隔物長度的減小而增加。

3.其他條件相同時Δw越大探測器越靈敏(圖2.d,e)。

4.證明了SWED滿足真點檢測器的定義。(圖2.f,g,h)


圖3:反射模式的遠場和近場光聲成像

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要點:近場中(圖3.c,d,g,h,k,i,m)媲美光學顯微鏡的解析度,在遠場(圖3.a,b,e,f,)中也具有傳統探測器難以企及的解析度。


圖4:聲寬頻干擾的成像

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要點:證明了SWED能夠分辨亞微米感測區域的精細聲學模式的能力,與水聽器測量結果相比,使用SWED進行的測量結果至少精細800倍。


原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2685-y