今日Nature兩篇 | 一篇"發光"，一篇「超聲」

第一篇：表面等離子震蕩提升OLED器件壽命

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

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。

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，器件的瞬態螢光測試，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。

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。

原文連結：

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

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。使用點狀寬帶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傳感器，不僅尺寸超過70微米，且帶寬只有幾兆赫。大的傳感長度（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.鑑於以上的原因，本文作者基於SOI(Silicon-On-Insulator)技術，設計了一個點狀矽波導標準檢測器（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，其傳感面積至少比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的幹擾條紋。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幹涉儀同時集成， SOI平臺的晶片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

原理：為了檢測超聲波，連續波雷射器將光泵入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，將雷射調整至非共振狀態（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

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

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：聲寬帶幹擾的成像

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。

原文連結：

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