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最新刊期

2022 年第 12 期

封面文章

3d过渡金属离子在无机化合物中的基态能级及变价趋势理论探索增强出版
屈冰雁,王雷
2022, 43(12): 1815-1822. DOI: 10.37188/CJL.20220222

摘要：3d过渡金属（3d⁃TM， Transition metal，原子序数21~30）离子在无机发光材料领域展示了广阔的应用前景。通常，3d⁃TM离子在化合物中容易变价且其基态位置难以确定，这成为当前3d⁃TM离子激活发光材料智能设计的难点。本文综述了3d⁃TM离子在无机化合物中的光谱数据和第一性原理计算的光学转变能级，总结了3d-TM离子基态在无机化合物中的演化规律，给出了3d⁃TM离子在化合物中的变价趋势和物理本质。最后，结合以上电子结构信息，对3d⁃TM离子激活发光材料的设计方式进行了展望。
关键词：3d过渡金属离子;基态能级;发光性质调控

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发布时间：2023-02-13

特邀综述

基于回音壁模式光学微腔的低阈值激光器研究进展增强出版
李文媛,付鑫鹏,姚聪,申彦鑫,赵欣瑞,付喜宏,宁永强
2022, 43(12): 1823-1838. DOI: 10.37188/CJL.20220236

摘要：回音壁模式（WGM）微腔激光器作为一种微纳激光器件，可以将光约束在微纳量级的谐振腔内并保持稳定的行波传输模式。凭借其高品质因子和小模式体积的特性，WGM微腔激光器具有低阈值和窄线宽的优点，成为了国内外关注的一个热门研究领域。WGM微腔内具有极高的光能量密度，光与物质相互作用得到显著增强。近年来，研究人员将不同增益材料与形态各异的微腔结构相结合，大大促进了WGM微腔激光器领域的发展。本文在概述WGM微腔激光器的特性参数和耦合方式的基础上，介绍了包括液滴微腔、玻璃微腔、半导体材料微腔在内的几种典型WGM微腔激光器的研究成果，并对其性能参数进行了比较。阐述了器件在超灵敏传感、微波光子学和片上集成等诸多领域的应用，并展望了WGM微腔激光器的发展趋势。
关键词：回音壁模式;液滴微腔;稀土掺杂玻璃材料微腔;半导体材料微腔;二维材料增益介质

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发布时间：2023-02-13
表面等离激元金属‐绝缘体‐半导体波导激光器研究进展增强出版
何庆叶,李国辉,潘登,冀婷,王文艳,崔艳霞
2022, 43(12): 1839-1854. DOI: 10.37188/CJL.20220238

摘要：纳米激光器在光通信、全息技术、生物医疗成像等领域有着广泛的应用前景。表面等离激元（Surface plasmon polariton， SPP）沿着金属表面传播，基于该特性可制成突破衍射极限的低阈值纳米激光器。它们不但具有小尺寸特征，同时还能激发Purcell效应，表现出更高的自发辐射效率。近年来，金属‐绝缘体‐半导体（MIS）波导结构的SPP激光器因具有超强的模式约束能力被大量报道。本文以基于MIS结构的SPP激光器为主题进行综述。首先，介绍了SPP激光器的工作原理，接着分别介绍了基于MIS波导结构的纳米片型和纳米线型SPP激光器的工作原理。然后，依据增益介质材料的不同，依次介绍了增益介质分别为Ⅱ‐Ⅵ半导体、Ⅲ‐Ⅴ半导体以及钙钛矿的SPP MIS波导激光器研究进展。最后，总结全文，并对基于MIS波导的SPP激光器未来的发展和挑战进行了展望。
关键词：表面等离激元;金属-绝缘体-半导体;激光器;纳米片;纳米线

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发布时间：2023-02-13
蓝光LED激发Cr³⁺掺杂宽带近红外荧光粉研究进展增强出版
王长建,乔旭升,樊先平
2022, 43(12): 1855-1870. DOI: 10.37188/CJL.20220271

摘要：宽带近红外光源可广泛应用于非侵入式探测、军事侦查、食品检测、医疗成像等领域。采用近红外（NIR）荧光粉和蓝光LED芯片组合成荧光转换发光二级管，作为NIR光源，具有技术成熟、结构紧凑、成本低等优点。本文综述了蓝光LED激发 Cr³⁺ 掺杂宽带近红外荧光粉研究进展。首先，回顾了Cr³⁺ 发光的晶体场理论，并根据材料体系梳理了近来报道的 Cr³⁺ 掺杂近红外荧光粉；其次，鉴于近红外荧光粉在光谱范围、耐温性、输出功率、电光转化效率等方面依旧存在不足，总结了在机理上优化光谱学性能、改善热猝灭性能和电光转换效率的研究工作；最后，较全面地总结了Cr³⁺掺杂NIR荧光粉的器件化应用研究进展。
关键词：Cr³⁺离子;近红外荧光粉;蓝光激发;发光量子效率;电光转化效率

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发布时间：2023-02-13

发光学基础知识

镧系离子间无辐射能量传递速率的教程综述增强出版
Albano N Carneiro Neto,Renaldo T Moura,Jorge A A Coelho,Mauro E Silva⁃Junior,Janderson L Costa,Oscar L Malta,Ricardo L Longo
2022, 43(12): 1871-1891. DOI: 10.37188/CJL.EN20220007

摘要：在本教程综述中，我们重新阐述和表达了镧系离子间无辐射能量传递（ET）速率的理论形式，并且强调了考虑镧系离子本身特异性所引发的与 Förster 和 Dexter 理论不同之处。所给出的表达式遵循了Judd‑Ofelt的4f‑4f跃迁理论框架之下的 Kushida 方法，并计入了如下电多极机制：偶极‑偶极（ $W_{d ‑ d}$ ）、偶极‑四极（ $W_{d ‑ q}$ ）和四极-四极（ $W_{q ‑ q}$ ）。更为重要的是，当前的机制也扩展包括了交换（ $W_{e x}$ ）和磁偶极子⁃磁偶极子（ $W_{m d ⁃ m d}$ ）作用，并经过改进进一步包含了屏蔽效应以及给出了F 因子（费米黄金规则中的态密度）的解析表达式。与 Kushida 的原始方法类似，我们只考虑了强制电偶极子（FED）对 Judd⁃Ofelt 强度参数的贡献，并细节性地讨论了磁偶极⁃磁偶极相互作用的选择定则以及相关矩阵元的计算。此外，我们还以Tb（Ⅲ）‑Eu（Ⅲ）和 Yb（Ⅲ）⁃Er（Ⅲ）的能量传递速率计算为例，逐步展示了计算过程、主要的计算支撑信息以及所使用的计算脚本。
关键词：无辐射能量传递;镧系;理论计算;Ln-Ln 能量传递速率;选择定则

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发布时间：2023-02-13

材料合成及性能

基于嘧啶及其衍生物受体的热激活延迟荧光材料研究进展增强出版
陆梦瑶,宋祥安,邹盛南,张勇
2022, 43(12): 1892-1904. DOI: 10.37188/CJL.20220273

摘要：嘧啶可作为构建D⁃A型热激活延迟荧光（TADF）材料的常用受体，其强吸电子特性和灵活的取代效应有利于形成多样的分子结构，为实现高效的有机电致发光提供了可能。近年来，基于嘧啶受体的分子结构设计取得了重要进展，研究方向从以D⁃A⁃D型为主的对称分子逐渐向不对称分子过渡。喹唑啉是TADF材料的一类新型受体，具有苯并嘧啶的稠环结构，延展的共轭平面使其表现出良好潜力，通过合理的分子修饰，能够有效改善器件的发光性能。本文以嘧啶受体核为基础，围绕分子结构、光物理特性和OLED器件性能等问题，简要总结了基于嘧啶及其衍生物喹唑啉受体的热激活延迟荧光材料研究进展，并对喹唑啉基TADF分子广阔的发展前景进行了展望。
关键词：热激活延迟荧光;嘧啶受体;喹唑啉;有机发光二极管

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发布时间：2023-02-13
直接泵浦中红外Dy∶PbGa₂S₄激光器研究进展增强出版
胡萍,刘晓萌,田颖,张圣梓,汪洪军
2022, 43(12): 1905-1914. DOI: 10.37188/CJL.20220203

摘要：3~5 µm中红外激光在光电对抗、激光医疗、有害气体探测等领域具有重要的应用。以稀土离子掺杂的晶体作为增益介质可实现中红外激光输出，其中镝掺杂硫镓铅（Dy∶PbGa₂S₄，Dy∶PGS）晶体具有相对较低的声子能量和较大的电子能隙，是一种性能优良、具有潜在应用价值的中红外激光介质材料。本文综述了中红外Dy∶PGS固体激光器的研究进展，重点介绍了在不同波长泵浦下的连续或脉冲激光输出特性，并对其未来发展方向进行了探讨。
关键词：激光器;中红外激光;Dy∶PbGa₂S₄;直接泵浦

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发布时间：2023-02-13
少模掺铒光纤及其放大器研究进展增强出版
赵新月,邱强,褚应波,戴能利,李进延
2022, 43(12): 1915-1927. DOI: 10.37188/CJL.20220246

摘要：基于少模和多芯光纤的空分复用技术被认为是未来大幅提高单根光纤数据传输容量最重要的技术之一。采用少模光纤的空分复用技术要实现长距离传输，少模掺铒光纤放大器（Few⁃mode erbium⁃doped fiber amplifier，FM⁃EDFA）是补偿光纤传输损耗的关键器件，而少模掺铒光纤决定了FM⁃EDFA的性能。相对于单模掺铒光纤而言，少模掺铒光纤除了有增益、带宽、噪声等基本指标之外，还有一个独特的指标——差分模态增益。高差分模态增益会导致系统中断概率的提升，因此在少模掺铒光纤放大器中最小化差分模态增益以保持信号质量至关重要。本文系统阐述了差分模态增益的产生机理及改善策略，总结了少模掺铒光纤的不同设计，对比了采用不同设计及基于不同泵浦方式的少模掺铒放大光纤的性能特点，并对少模掺铒光纤的放大性能研究做出了展望。
关键词：少模掺铒光纤;少模掺铒光纤放大器;增益;差分模态增益;包层泵浦;纤芯泵浦

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发布时间：2023-02-13
Ga³⁺、Sc³⁺掺杂LuAG∶Ce³⁺透明陶瓷的荧光性能增强出版
周泽华,黄集权,陈剑,邓种华,郭旺
2022, 43(12): 1928-1937. DOI: 10.37188/CJL.20220248

摘要：LuAG∶Ce³⁺是一种高效稳定的商业化绿色荧光转换材料。我们采用真空烧结方法制备了一系列掺杂Ga³⁺/Sc³⁺的LuAG∶Ce³⁺透明陶瓷样品，并研究了掺杂离子及掺杂浓度对其晶体结构、荧光性能及热稳定性能的影响。在450 nm蓝光激发下，Ga³⁺和Sc³⁺的掺杂均使LuAG∶Ce³⁺的发射谱发生蓝移。其中，Ga³⁺离子具有更好的蓝移效果，在掺杂浓度从0%提升至20%时，发射光谱从536 nm蓝移至506 nm。与此同时，两种离子掺杂均降低了绿光陶瓷的热稳定性能。但通过变温发射谱及量子产率表征发现，Ga³⁺离子对陶瓷热性能的影响比Sc³⁺离子的小。将两个系列的陶瓷样品封装在3 W的蓝光LED芯片上，获得了具有不同光色的绿光光源。其中，Ga³⁺系列陶瓷展现出了更优异的光色可调性，并且维持着更高的光效。综上，我们认为Ga³⁺离子掺杂的LuAG∶Ce³⁺陶瓷是一种具有较大潜力的绿色荧光转换材料。
关键词：LuAG;透明陶瓷;绿色荧光转换材料;变温发射谱

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发布时间：2023-02-13
CsFAMA混合阳离子钙钛矿的带尾态发光和热无序度分析增强出版
张贵银,武晓蕊,王烨,赵晋津,党伟
2022, 43(12): 1938-1947. DOI: 10.37188/CJL.20220268

摘要：利用稳态和瞬态光致发光光谱技术对Cs_0.05FA_0.81MA_0.14PbI_2.55Br_0.45（以下简称CsFAMA混合阳离子钙钛矿）薄膜的发光过程进行研究。在245 K附近观测到相变引起的CsFAMA混合阳离子钙钛矿发光光谱红移现象。根据Saha‐Langmuir方程计算结果，确认温度高于65 K时电子空穴复合主导CsFAMA混合阳离子钙钛矿发光过程。利用带间发光与带尾态发光组合模型拟合CsFAMA混合阳离子钙钛矿的发光光谱，得到65~295 K温度范围内的带尾态扩展程度E₀（0.023~0.045 eV）与载流子等效温度。根据CsFAMA混合阳离子钙钛矿的发光动力学曲线分析，确定电子空穴复合速率常数R_eh随热力学温度升高（65~295 K）而不断降低。本文实验结果表明，热力学温度升高引起的晶格振动加剧，有利于实现自由载流子与晶格间的热交换，但增加了体系的热无序度，抑制了电子空穴的辐射复合，加快了载流子的非辐射复合速率。
关键词：发光;带尾态;热无序;相变

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发布时间：2023-02-13

器件制备及器件物理

光学增益介质在微型激光器中的应用进展增强出版
刘佳男,王芷,闫翎鹏,陈童,杨永珍,许并社
2022, 43(12): 1948-1964. DOI: 10.37188/CJL.20220280

摘要：微型激光器具有体型小、光束质量高、激光亮度强和响应速度快等优点，在军事、医疗和通信等领域展现出极大的应用潜力。增益介质作为微型激光器的核心部分，是一类具有放大自发辐射特性的材料。其本身的放大自发辐射特性对激光器性能起着至关重要的作用，直接影响微型激光器的阈值、激光能量、稳定性和波长调谐性等性能。近年来，各种新型具有放大自发辐射性能的材料被相继开发，并在各类微型激光器中崭露头角。本文首先介绍激光器中增益介质的放大自发辐射工作原理；然后系统综述微型激光器用各类光学增益介质的特性及不同模式谐振腔产生激光的研究现状，指出目前这些材料所存在的问题，并提出解决策略；最后对其未来发展进行展望，以期对微型激光器的研发有所裨益。
关键词：微型激光器;放大自发辐射;增益介质;谐振腔

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发布时间：2023-02-13
高稳定性ZnO∶Ga/InGaN异质结微型绿光发光二极管增强出版
林毅,周雷,范宝路,于彦龙,徐春祥
2022, 43(12): 1965-1973. DOI: 10.37188/CJL.20220331

摘要：绿光光源可广泛应用于固态照明、可见光通信、电子显示、光遗传学等领域。相比于蓝光LED，高性能低维绿色发光器件的设计与制备受限于绿光效率低（Green gap）和高注入电流下效率下降（Efficiency droop）两个主要问题的困扰。本文采用化学气相沉积方法（CVD）生长镓掺杂的氧化锌微米线（ZnO∶Ga MW），结合p型InGaN衬底制备了n‐ZnO∶Ga MW/p‐InGaN异质结发光二极管。该器件的输出波长为540 nm，半峰宽约为32 nm，在相对较大的注入电流下，器件发光峰位、半峰宽等发光特征参数没有明显的变化，且相对外量子效率（REQE）在较大电流下呈现出相对较小的下降，体现了较高的发光稳定性。此外，利用金纳米薄膜改善了ZnO∶Ga微米线与InGaN衬底间的接触，实现了结区界面的优化，成功提高了发光二极管的发光强度。实验结果表明，采用n‐ZnO∶Ga微米线结合p‐InGaN衬底构筑的异质结可用于制备高稳定性高亮度的微型绿光发光二极管。
关键词：绿光发光二极管;金纳米薄膜;镓掺杂氧化锌微米线;铟镓氮;相对外量子效率

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发布时间：2023-02-13
多晶金刚石薄膜日盲紫外探测器件的电极制备增强出版
陈子依,张伟亮,荣曦明,韩舜,曾玉祥,曹培江,方明,柳文军,朱德亮,吕有明
2022, 43(12): 1974-1982. DOI: 10.37188/CJL.20220279

摘要：通过在直流等离子体喷射化学气相沉积（DC⁃PJCVD）法生长的多晶金刚石薄膜上制备Au叉指电极，构建了金属⁃半导体⁃金属（MSM）结构的日盲紫外探测器件。研究了不同光刻工艺对制备的金刚石探测器件性能的影响。结果表明，lift⁃off光刻工艺所制备的器件性能明显优于湿法光刻工艺器件，其I_light提高了4.4倍，光暗电流比提高了6.8倍，在25 V电压下响应度提高了9倍，达到了0.15 A/W。在此基础上通过lift⁃off光刻工艺制备了Au、Ti、Ti/Au和Ag四种不同金属的叉指电极，对比了不同金属电极制备的金刚石紫外探测器件的性能差异。其中Ag电极由于存在势垒隧穿效应引起的增益，在四种电极中性能表现最佳，在25 V偏压下其I_light高达0.21 μA，响应度提升到0.78 A/W，性能与已有报道的器件性能相当。与普通Au电极制备的器件相比，其光电流提高了5.2倍，光暗电流比提升了7倍，响应度提高了5.2倍。
关键词：金刚石薄膜;lift-off光刻工艺;Ag电极;日盲紫外探测器

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发布时间：2023-02-13
反式平面钙钛矿太阳电池的光学损失分析增强出版
郭日朗,吴绍航,张翠苓,谢怿,刘雅晴,麦耀华
2022, 43(12): 1983-1990. DOI: 10.37188/CJL.20220241

摘要：实现高效率光伏器件的先决条件之一是入射光被吸光层有效吸收，因此系统分析钙钛矿光伏电池中的光学损失机制，优化吸光层的光吸收，对于提升效率十分重要。本文针对反式平面钙钛矿太阳电池，结合电池外量子效率（EQE）、薄膜光吸收特性和理论模拟，对比研究钙钛矿吸光层和［6，6］‐phenyl‐C61‐butyric acid methyl ester （PCBM）界面层厚度变化对光生电流的影响。研究结果显示，除了寄生吸收以外，界面层对光场的调节可以影响器件中吸光层的光吸收。模拟结果显示，660 nm的钙钛矿薄膜和40 nm的PCBM薄膜可作为优化的选择，其对应积分电流为24.93 mA/cm²。本文还探究了PbI₂层的加入对钙钛矿吸光层吸收特性的影响，结果显示PbI₂聚集在钙钛矿层靠入射光侧时会导致显著的光学损失，而PbI₂聚集在钙钛矿层靠背电极一侧时，则影响相对较小。
关键词：钙钛矿;光学分析;传输矩阵模型;光吸收

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发布时间：2023-02-13

发光产业及技术前沿

面向Micro⁃LED驱动与检测的单端注入电致发光机理增强出版
李俊龙,李文豪,苏昊,邱佳雯,王堃,张永爱,周雄图,吴朝兴,郭太良
2022, 43(12): 1991-2000. DOI: 10.37188/CJL.20220270

摘要：Micro⁃LED具有高分辨率、高色域、高稳定性等优点，在近眼显示领域具有广阔的应用前景。然而，Micro⁃LED存在着巨量电致发光检测和巨量金属键合两大技术瓶颈。本文提出了一种单端载流子注入的Micro⁃LED工作模式，并制备了一种基于该工作模式的Micro⁃LED器件，即单注入型Micro⁃LED。通过实验和仿真研究单注入型Micro⁃LED的工作过程，探究其工作机理。研究了单注入型Micro⁃LED在正弦交流电下的电流⁃驱动电压关系、电流⁃驱动频率关系、亮度-驱动频率关系，以及能带的周期性变化规律，并提出单注入型Micro⁃LED的载流子输运模型。最后，展示了单注入模式在垂直结构Micro⁃LED检测领域的应用，为Micro⁃LED检测提供了新思路。
关键词：Micro-LED;单端载流子注入;电致发光检测;交流电

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发布时间：2023-02-13

发光学应用及交叉前沿

淡竹叶碳量子点的微波法制备及在细胞成像中的应用探究增强出版
胡妙言,刘凯,高诗雨,孙天懿,史继晨,徐长妍,徐丽
2022, 43(12): 2001-2013. DOI: 10.37188/CJL.20220256

摘要：利用响应曲面法（RSM）系统研究了微波作用时间（T）、微波功率（W）、淡竹叶与去离子水的料液比（R）对微波法制备淡竹叶氮硅自掺杂碳量子点（N/Si⁃CQDs）荧光量子产率（QY）的影响。得到了上述工艺参数对QY的影响显著性次序以及对应的QY回归模型与最佳工艺参数，通过验证实验证明优化结果可靠。采用最佳工艺得到的N/Si⁃CQDs的平均粒径较小且分布均匀，在水中分散性良好，具有激发依赖的发射特性，荧光稳定性较高，对HEK293细胞具有较低细胞毒性，且可被细胞吸收而照亮细胞从而明确区分细胞质和细胞核，说明该碳量子点可用于细胞成像。该研究不仅为淡竹叶的高值化利用提供了一个新思路，而且对提高生物质碳量子点的微波法制备效率、促进其在细胞成像等生物医学领域的应用具有参考价值。
关键词：淡竹叶;碳量子点;微波法;响应曲面法;细胞成像

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