纳米光子学与超精密光电系统北京市重点实验室

（1）强光子限域纳米线（量子线）的设计研发与器件加工

典型的纳米线的长径比在1000以上，属于一维结构材料，特别是横截面尺寸小于100nm的纳米线，具有许多块体材料没有的有趣性质。这是因为电子在纳米线中在横向受到量子限域，能级不连续。这种量子限域的特性在一些纳米线中（如碳纳米管）表现为非连续的电阻值，这些分立值通常被称为电阻的量子化，它是由纳米尺度结构对纳米线中的电子限域引起的量子效应导致的。这种量子化效应产生了许多新的物理现象和应用前景，但事实上，固体中可还有许多类似于电子的元激发或基本粒子，如激子、声子、等离子激元、自旋波量子等，甚至还有光子，这些元激发均可在特定设计的一维结构或层状结构中表现出类似上面提到的电子限域的行为，还有很好的远激发波导行为，这是一个新特点。目前，其它基本元激发粒子在这些纤细的一维结构中具有的新特点研究得还很少。光子量子线的概念也是刚刚提出。光子限域是指在光波长尺度的一维量子线组成的串联或关联的光学微腔中，光子受限与波导相结合从而产生一些新的光学非线性效应，与电子行为不同，光子的关联性很强，光子量子线将成为低阈值激光器、低阈值光开关、高Q波导、减慢光速工程等器件构建的关键结构，例如，日本教授2008年在用刻蚀法制备的微孔串制作出了光子量子线，但该刻蚀结构的界面损耗还是很大的，边界的粗糙度和非均匀都是问题，还有待更好地研究解决。因为量子线与量子线间的结合点就是量子点，而用量子点与纳米短线结构的复合可以组成关联性光子微腔串，可产生更大的光学增益和新的光子学性质。因此，研究设计这样的一维微纳结构或材料会对微型器件领域产生极大的变革，经过尝试，我们团队已经初步掌握了一些技巧制备这样的微纳结构，并发现了一些新性质。在此基础上，我们将进一步设计一些新型的光子量子线的微结构并研究这种体系的一些新的性质，目前这方面的研究还很少。光波导技术与半导体微腔的结合将给光子信息处理和应用带来更多的新器件，对这种结构的研究将会引领我们在新型光子器件领域处于领先地位。

（2）掺杂与合金纳米线的设计、性能及其器件

制备纳米线的方法很多，如被悬置法、沉积法或者化学合成法等等。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。悬置纳米线可以通过对粗线的化学刻蚀得来，也可以用高能粒子(原子或分子)轰击粗线产生；气相沉积法是指纳米线被沉积在其他物质的表面上，这种方法被用得最多；金属纳米线的制备可以通过STM的尖端来刻处于熔点附近的金属；目前常用的VLS（Vapor-Liquid-Solid）合成法是通过催化剂诱导，最终由源材料的供应时间来控制纳米线的长度；具有交替原子的超级网格结构的化合物纳米线可以通过在生长过程中交替源（材料）供应来实现。这些方法都为设计不同结构与性能的量子线提供了可能，并且，通过设计一些新型的生长装置和改变一些生长条件的细节可以得到不同的纳米线。特别是合金材料的制备，因为二维超晶格体系，晶格失配造成的应力使得很难合成结晶较好的合金材料，而纳米尺度上的合金的晶格失配会大大缓解，例如，近期利用II-VI族合金材料可以成功地在一20mm的单基片上实现了波长调谐范围达到200纳米的激光发射，这在二维超晶格中很难实现。在半导体复合纳米线的制备中还有更多的挑战和机遇，特别是合金材料在宽带发射光源、太阳能电池以及宽带探测器方面有很大的应用，因此针对合金材料的制备和以此为基础的器件的设计还有很多的问题需要解决。例如，如何利用不同的元素实现更大范围的带隙调控，实现红外波段的发光和探测；如何实现纳米线阵列的生长等等。这些问题都是制约纳米线材料在器件方面应用的关键问题，急需解决。

采用过渡金属离子和稀土金属离子掺杂的纳米线具有极佳的自旋电子和自旋光子行为，是量子调控物理实现的重要对象，尤其是后者还很少研究。我们已经发现后者产生的元激发具有长程相干行为，可能发生激子的BEC。对未来的相干光源设计具有重要意义，值得深入研究。

（3）微纳结构中电磁波与微纳物质相互作用及新材料设计应用

既然是微纳尺度上的光与物质相互作用，显然与近年来的基于介电材料的光子晶体（光子局域）、基于金属的等离子激元光子学、针对原子的光格子、还有声子超晶格等在微纳尺度固体上控制光子、等离子激元、原子或声子等现象或实践直接相关，能够产生多种类似能带结构的以波动性和相干性为核心的新的性质，并设计出新的器件。杨培东、C.M. Lieber等学者率先在半导体纳米线微腔中实现的激射行为，实际上是激发控制半导体中的激子相互作用和光学微腔的一维限制作用而产生的，它可以有效地降低激发阈值。但这种直接带隙半导体微纳尺度结构内激发的不仅仅是激子，还有光子和激子的相互关联形成激子极化激元，其尺度限域效应还有其它界面等影响因素现在还有待深入了解，从而能更好的利用激子极化激元产生超强的凝聚态发射。

另外电磁波在周期性的异质结构中受载流子的交替作用也有可能导致负折射现象，制成超透镜，用于隐身。

纳米光子学材料和器件的种类很多，一维结构因为其限域和波导等效应使得其在应用上有着独特的优势。利用结构等来调控其光学性质，例如：①当今的光通讯技术需要好的光波导材料做光互联元件，半导体一维结构可以承担这一任务，同时作为有源波导材料，它还可能作为非线性光学介质，作成低阈值的光放大器、光开关或光调制器；②减慢光速工程是另一个重要方向，一维微纳结构将在此方向发挥更大的作用；③微纳结构激光器也是目前最重要的领域之一，其中一个目标是在较宽的波长范围内实现可调谐的纳米激光器，这是半导体合金纳米线的优势，可以克服晶格差异带来的不匹配，产生大波长范围可调谐激光；另一种方法是纳米线掺杂形成色心或发光中心，也能实现这一目标。可调谐激光的应用十分广泛，光谱学、材料表征、激光诊疗、光通讯等都有巨大应用。另一个是低阈值激光器，纳米线若能与量子点结合制成周期性纳米超晶格结构，那么多个微腔串联可显著降低激光阈值，还能实现激光波长的可调谐。这种激光器节约能源、微型化、便于携带、应用广泛。还有量子点激光器，这种量子点不同以往的自组织量子点，是化学合成的量子点。上述这些激光材料与器件目前还都处于器件研发阶段，新材料或器件结构的微观设计与集成技术十分关键，还有些微观载流子注入模式、微结构热稳定设计、Q增强机制、界面效应等均有许多基础问题需要研究；④微纳结构中激子、自旋耦合波量子、光子等为中心的量子调控器件研究还刚刚开始，近期量子阱的布拉格谐振腔中的激子极化激元的凝聚和激光调控都已经在低温实现，我们已经发现在纳米线微腔中可以室温实现相关性质，都需要不同波段的激光光源和原位光谱检测手段去研究，才能在原理上有创新，并为实用化奠定基础。

 
2. 人工纳米结构物理与量子调控研究（张向东、姚裕贵、邵彬等）

如上所述，近年来随着纳米微加工技术的飞快发展，大量人造纳米结构材料被制备出来，如金属、半导体等低维和细小体系、新型石墨稀材料、拓扑绝缘体、光子晶体和Metamaterial等。这些材料的特点是对电子和波有着不同常的调制作用。

另一方面，随着量子力学的发展和不断完善，为信息学提供了越来越完备的理论基础和依据，因而由量子力学和信息科学相结合而成的一门新兴前沿交叉学科——量子信息学便应运而生了。量子信息学主要包括量子通讯和量子计算两大部分。根据摩尔（Moore）定律，计算机微处理器的计算速度每十八个月就会增长一倍，其中单位面积上集成的元件数目会相应地大规模增加。可以预见在不久的将来，芯片元件就会达到它能以经典物理方式工作的极限尺度，即原子大小尺度。因此，突破这种尺度极限是当代信息科学所面临的一个重大科学问题。量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果，发挥量子纠缠系统相干特性的强大作用，探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性，为突破芯片极限、安全传输信息提供新概念、新方法和新途径。经过研究虽然一些优化的量子算法已经被提出来了，如Shor的大数质因子分解法、Grover搜索算法和Deutsch-Jozsa算法等。实现这些算法的方案也已被建议。但要真正到实用还有很长的路要走，因为一些基本问题如退相干和量子测量等还没能解决。

问题是能否通过对人工纳米结构材料的设计克服量子调控过程中面临的一些基本问题？这将是我们实验室未来的重要研究内容。这也是当前国际上物理和通讯科学研究的重要课题。美国、欧洲和日本等许多科技实力雄厚的国家和地区在此领域投入了许多研究力量，并获得了一系列有价值的成果。最近，我国也有多家大学和研究机构相继投入力量，开展了这方面的研究。最近国家制定了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》明确表示对上述研究内容给予大力支持。以下为纲要对上述问题的描述：“以微电子为基础的信息技术将达到物理极限，对信息科技发展提出了严峻的挑战，人类必须寻求新出路，而以量子效应为基础的新的信息手段初露端倪，并正在成为发达国家激烈竞争的焦点。量子调控就是探索新的量子现象，发展量子信息学、关联电子学、量子通信、受限小量子体系及人工带隙系统，构建未来信息技术理论基础，具有明显的前瞻性，有可能在20～30年后对人类社会经济发展产生难以估量的影响。”

基于此，在未来几年中我们实验室将集中对新人工微纳结构材料（如石墨烯和拓扑绝缘、新型复合微纳颗粒和半导体材料、光子晶体和Metamaterial等）中的物理特性进行研究。进一步研究电子和波在这些材料中传播时出现的新反常特性，澄清出现这些反常特性的物理机理。深入研究利用量子点和光子晶体微腔实现可控单光子源的关键技术，研究可见光到近红外宽光谱范围内的单光子发射，利用嵌入量子点的光子晶体微腔材料实验研究量子点发光的荧光动力学和腔量子电动力学过程，探索提高单光子源发射效率和速率的新机理。面向高质量的纠缠双光子和多光子产生，我们拟开展基于半导体光子晶体的量子纠缠源研究。面向量子保密通信应用，研究光纤通信波段纠缠双光子和多光子的高效产生机理及其物理实现。理论研究和参量优化高效产生光纤通信波段双光子纠缠态产生的非线性光子晶体结构，实验制备光子晶体样品并进行高质量纠缠产生的实验论证。从理论和实验两方面探讨利用非线性光子晶体高效产生多光子纠缠态的可能性。研究样品尺寸、吸收对纠缠光子态产生效率的影响。研究如何将原子或量子点融入光子晶体中才能实现对量子态传递的控制和实现光子纠缠态的发射。面向量子通信和量子计算对纠缠态调控的需求，借鉴利用非线性光子晶体成功制备超快光开关的经验，研究利用非线性光子晶体超快调控纠缠传递的可能性，实现可调控的纠缠开关。

 
3．半导体多层膜及其光电效应（薛唯、邓罗根、杨盛谊、钟海政等）

（1）量子点界面设计及其复合膜应用研究

量子点(QD)是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点由于粒径很小(约1~100 nm)，电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构，因此其光学行为与一些大分子(例如：多环的芳香烃)很相似，可以高效发射荧光，发光波长可调，可以用于生物分子和细胞的标记。除了其在生物技术中的巨大潜力外，量子点由于其高发光量子效率和稳定性在平板显示中作用不可忽视，其单量子态特征显著在量子调控领域的作用也十分重要。

量子点发光二极管（QD-LED）具有与聚合物发光二极管（PLED）类似的器件结构和可溶液加工的特点，其发光层由半导体量子点胶体溶液旋涂制成，因而具有与PLED同样的制备过程简单、成本低、可制成柔性器件等优点。同时，还具有发光色纯度高（发光半峰宽窄）、发光颜色可通过控制量子点尺寸大小进行调节等突出优点。此外，还具有较低的启亮电压（3～4 V）和较长的工作寿命。还是半导体纳晶的一个重要应用领域。

（2）有机、无机纳米材料及有机/无机复合纳米材料在薄膜光电器件中的应用（如：显示、照明、太阳能电池和探测等）

量子点、纳米管、纳米线的采用是目前改善光电子器件功效最有效的手段之一，比如有机、无机光电显示技术，紫外、红外探测技术，通过对发光材料或光敏材料的微纳结构设计可以大大提高显示器的发光效率或探测器的探测率等。

有机/无机材料相结合目前也是国内外研究的热点。充分利用有机材料和无机材料的优点即无机材料的大的载流子迁移率和有机材料高的光吸收系数，从而有望产生新的光伏器件。同无机半导体相比，有机材料光吸收强，可通过旋涂、喷墨、真空热蒸发等简单方法制备成膜。因此有望大规模制备低成本、轻薄、可卷曲、可灵活使用的有机太阳能电池和探测器。

有机发光二极管（OLED）是一种极具发展前景的平板显示技术，它具有十分优异的显示性能，具备自发光、结构简单、超轻薄、响应速度快、宽视角、低功耗及可实现柔性显示等特性，被誉为“梦幻显示器”，已成为显示领域中第三代显示器件的主力军。另外，基于OLED、LCD、EL等显示技术的柔性显示器，在军事装备上各类便携式仪器仪表显示及照明等方面将有很大的应用前景。

 

4.  微纳系统与超精密探测（郝群、江毅、刘娟等）

（1）仿生微纳光学变焦技术及系统

研究基于鹰眼仿生机理的新概念仿生微纳光学变焦技术及系统。基于MOEMS可变形镜产生自由曲面，进而实现快速、连续光学变焦。建立能同时满足大范围变焦和较小可变形镜偏置量的数学模型，通过仿真研究系统结构、元件参数和孔径光阑位置对变焦范围的影响，进而提出基于反射式可变形镜的变焦距微纳光学系统设计新方法；研究MOEMS变焦距光学系统的像差变化规律及其校正方法，进而实现基于MOEMS可变形镜的像差校正；提出基于MOEMS可变形镜的光学稳像方法。利用MOEMS可变形镜倾斜改变光轴方向，产生像平移实现光学稳像。同时，通过自动改变可变形镜的面形校正像面离焦、倾斜和像差。

（2）仿生微纳视觉传感器技术

当目标尺寸、角度发生变化时，人眼仍可快速、准确地进行目标探测与识别。通过对人眼视网膜的感光结构、信息传递方式等进行分析与模拟，获得人眼对于运动目标探测与识别的非均匀采样机理，并建立对数极坐标变换数学模型。在上述工作的基础上，基于典型运动目标图像验证机理的有效性，进而奠定微纳仿生视觉传感器技术的理论基础。

通过微纳技术模拟人眼的感光结构及信息传递方式，并形成非均匀采样微纳视觉传感器，为实现无人平台对于运动目标的高精度、快速识别奠定硬件基础。为保证非均匀采样传感器的输出信息符合设计要求，拟在理论分析的基础上确定其光敏面尺寸及分布方式；为保证传感器的微型化及工作鲁棒性，拟研究基于微纳工艺的非均匀传感器结构及其非均匀光电探测阵列的实现方法；最终，对微纳非均匀采样传感器的机械结构、硬件封装等进行抗干扰设计，使其更好地适应复杂的应用环境。

（3）微纳激光三维光电探测技术

目前激光三维成像技术可分为扫描式和非扫描式。其中，非扫描式激光三维成像系统结构简单，但其远距离成像系统对激光发射功率具有较高的要求；二维扫描式激光三维成像技术则很难同时满足高空间分辨率、高帧频要求。研究基于微纳技术的新型激光三维光电探测技术，形成以微型化、长距离为特征的激光三维成像能力。具体研究内容包括：基于微纳技术的阵列式半导体激光光源，基于MOEMS的可控步进式一维扫描技术，基于微纳技术的APD光电探测阵列等。