第165期 2020年8月刊
 
 
 
发行人:黄建璋所长  编辑委员:曾雪峰教授  主编:林筱文  发行日期:2020.08.30
 
 

Broadband Achromatic Metalenses at visible light

Professor Chieh-Hsiung Kuan

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 管杰雄教授

Traditional bulky and heavy optical components usually use phase accumulation along optical path, spatial refractive-index distribution, or surface morphology to tailor the wavefront of electromagnetic waves. Novel metasurfaces have revolutionized the ways with which we design and engineer the wavefront shaping.With abrupt phase change at the surface, we can create the new wavefront with anomalous propagation by orderly arranging the nano-resonators on a metasurface that leads to functionalities that were impossible to realize in conventional devices are now made possible with such metasurfaces. Metalens is one application for the wavefront shaping of metasurfaces. In our E-beam lab, we have successfully developed a broadband achromatic metalens composed of GaN nano-rods that can eliminate chromatic aberration at visible light, showing a low-cost fabrication and high-efficiency platform, envisioning future optics.

Fig. 1. (a) Optical image of the fabricated achromatic metalens. Scale bar: 10 μm. The dashed squares indicate the position of the zoomed-in SEM images shown in (b) and (c). Scale bars: 500 nm.

Fig. 2. Experimental light intensity profiles for the achromatic metalens. The white dashed line indicates the position of the focal plane.

 

Mobility Enhancement of Back-Channel-Etch Amorphous InGaZnO TFT with Double Layers

Professor Chee-Wee Liu

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 刘致为教授

The back-channel-etch amorphous InGaZnO (a-IGZO) double-layer thin-film transistor (DL-TFT) consists of an IGZO channel layer with no oxygen flow (NOF) and an IGZO barrier layer with oxygen flow (OF). The DL-TFT demonstrates the field-effect mobility of 19 cm2/ V-s, which is 1.6X of the NOF and the OF single-layer TFTs (SL-TFTs) at the overdrive voltage of 18V and the drain voltage of 0.1V. Several measurements are performed to obtain the band alignment between the NOF and the OF layer for further understandings of the mechanism of the improvement in the field-effect mobility. Tauc method, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and Kelvin probe force microscopy (KPFM) measurements were used to extract the optical bandgaps, the Fermi level position, and the work function of the NOF and the OF, respectively. The conduction band difference of 0.28 eV between the NOF and the OF layer is obtained. The carriers in the DL-TFT are confined in the NOF layer by quantum confinement, where the OF layer serves as the barrier to reduce the Coulomb scattering between the channel electrons and oxide charge, and the surface roughness scattering from the IGZO/oxide interface. DL-TFT can achieve high mobility with manufacturing ability by the simple change of oxygen flow.

Fig. 1 Schematics of the cross-sectional diagrams (not scaled) of (a) SL-TFT and (b) DL-TFT.

Fig. 2 Transfer characteristics of the SL-TFT with either NOF or OF channel, and the DL-TFT by bottom gate operation with top gate ground. The inset is the linear scale of drain current versus overdrive voltage.

 Fig. 3 The band alignment for NOF and OF a-IGZO.

Fig. 4 Simulation of the electron density distribution and the band diagram of the DL-TFT.

 

     
 
 
论文题目:广频吸收性滤波和受UPML概念启发广角宽带吸收性频率选择面吸收器

姓名:曾士纲   指导教授:邱奕鹏教授

 

摘要

各向异性单轴完美匹配层(UPML)原本只是全波模拟(Full-Wave Simulation)上的一种数值技巧;使用理想完美匹配损耗性介质,用以近似无穷开放空间藉此节省计算资源的虚拟吸收器。实际上因为制程技术与材料科学的进步透过利用各种次波长的高阻抗性超颖材料来组合出设计于目标波段作用的吸收器,也因此才能在物理上实践出近似UPML存在的吸收器。在此篇论文里我们不仅研究且利用数值分析呈献出基于UPML的概念,一个对极化低敏感度、近乎全角度入射性、且极宽带宽的超颖材料吸收器并用于解决传统吸收器在厚度与相异极化斜向入射时稳定性的相冲突问题,而且也另外研究并展示出多个宽带吸收器设计的相关应用,例:无辐射的缺陷接地面结构吸收性共模滤波器。在上述滤波器设计里引入并使用吸收概念来取代传统反射概念,可同时地改善传统反射滤波器缺点以及解决其它潜在电磁兼容与相干扰问题。在此篇论文里提到各式吸收器应用设计,其吸收的部分频宽至少皆超过100%以上。我们提出的各式应用设计皆能透过全波模拟跟实验量测结果验证其效能跟理论设计方法正确性。本论文提出各式吸收组件都是具备宽带、低敏感度、轻盈、且低成本特性具有潜力应用在各个领域与波段其中包括电磁兼容性组件、匿踪科技、兆赫波成像与侦测。

 基于UPML概念设计出的广角宽带兆赫波吸收器示意图

(a) 缺陷接地面结构吸收性共模滤波器,效能验证实验样品与量测配置图 (b) 差模讯号S参数,全波模拟与实际量测比较

 


 
 
 

— 资料提供:影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理:林晃岩教授、卓真禾 —

植物随着生长而发光

经过基因改造的植物可以展现明亮的绿色,提供其健康和发育状况的视觉信号(T. Mitiouchkina等人,Nat. Biotechnol. https://doi.org/10.1038/ s41587-020-0500-9;2020)。将来一旦对其进行优化,该功能可能带来新的成像机会,以便针对植物的生长进行监视和筛选。

生物发光是动物界中的一种普遍现象,萤火虫和某些种类的水母、鱼类和章鱼都是常见的例子。透过使用生物发光基因和基因改造,此项功能也已成功地引入到植物中,但是发光强度通常太弱,以致于无法用于应用。

现今,来自俄罗斯、英国和奥地利的科学家团队已经成功制造基因改造的植物,其出光能力比以前的尝试高出许多倍。实际上,他们研究的烟草植物发出的绿光可以用肉眼看到,并且达到每分钟1010个光子,可以使用消费型数字相机而不是使用昂贵的发光成像设备对其进行成像。

研究人员在《自然生物技术》期刊中发表评论:「我们已经确定了使用真菌生物发光基因来生产发光植物的可行性,且发光植物的亮度至少比以前使用细菌生物发光系统的亮度多一个数量级。」「透过能够自主发光,可以监测植物的动态过程,包括发育和发病机理,对环境条件的反应以及化学处理的效果。」

重要的是,真菌生物发光是由咖啡酸触发的,与苯丙烷循环途径相关的植物代谢循环,可产生与植物健康生长相关的丰富代谢产物,如黄酮、香豆素和木质素。研究人员的实验表明,确实在植物中某些与生长活动的部位亮度最亮,特别是花朵、种子发芽过程中的根、子叶尖端、受伤部位以及幼芽的芽之中(图一)。

图一、生长中的生物发光植物。

咖啡酸是苯丙烷循环途径中的中间物质,可在维管束植物中产生木质素和其它代谢产物。我们认为将真菌咖啡酸循环整合到植物代谢中可能是可行的。此外,咖啡酸循环产生的绿光与有色植物组织的透光窗非常吻合(图二a) 。

尽管咖啡酸不是动物原有的,但也可以透过包含酪氨酸生物合成所需的两种其它酶在动物体内实现自主发光-酪氨酸氨裂合酶和香豆酸3-羟化酶或同功能的酶(图二b) 。

图二、真菌生物发光系统。(a) 真菌生物发光光谱(荧光真菌,绿色部分)覆盖在植物叶片的吸收光谱上(烟草,深灰色部分)(b) 咖啡酸循环与某些主要的植物生物合成路径共享代谢产物。用蘑菇和小叶苗符号分别代表酶的真菌或酶的植物来源。4CL,4-香豆酸酯-CoA连接酶、C3H,对香豆酸3-羟化酶、C4H,肉桂酸4-羟化酶、CCOMT, 咖啡酰辅酶A O-甲基转移酶、CHI,查尔酮异构酶、CHS,查尔酮合酶、CPH,假定存在的咖啡酰丙酮酸水解酶、H3H,乙烯基吡喃酮3-羟化酶、HispS,乙烯基吡喃酮合酶、Luz,荧光素酶、PAL,苯丙氨酸氨裂合酶。叶子吸收光谱的实验结果是由三片叶子的表现。发光光谱是根据参考文献三中发布的数据而绘制的。

研究人员指出:「在可见侧生根萌芽迹象之前数小时,根在分支点处会明亮地发光,」「幼芽在顶芽和腋芽以及茎的上部最亮;随着植物成熟,芽的老旧部分会变暗。」

此研究是由27位科学家组成的团队进行,其中大多数隶属于莫斯科Shemyakin-Ovchinnikov生物有机化学研究所和Planta。Planta成立于2017年,是一家总部位于莫斯科的新创企业,目标为将新型生物发光技术商业化。

 

参考资料:

[1] Oliver Graydon, “Plants glow as they grow,” Nature Photonics volume 14, 407(2020)

https://www.nature.com/articles/s41566-020-0661-6

DOI:10.1038/ s41566-020-0661-6

[2] Tatiana Mitiouchkina, Alexander S. Mishin, Louisa Gonzalez Somermeyer, Nadezhda M. Markina, Tatiana V. Chepurnyh, Elena B. Guglya, Tatiana A. Karataeva, Kseniia A. Palkina, Ekaterina S. Shakhova, Liliia I. Fakhranurova, Sofia V. Chekova, Aleksandra S. Tsarkova, Yaroslav V. Golubev, Vadim V. Negrebetsky, Sergey A. Dolgushin, Pavel V. Shalaev, Dmitry Shlykov, Olesya A. Melnik, Victoria O. Shipunova, Sergey M. Deyev, Andrey I. Bubyrev, Alexander S. Pushin, Vladimir V. Choob, Sergey V. Dolgov, Fyodor A. Kondrashov, Ilia V. Yampolsky & Karen S. Sarkisyan, “Plants with genetically encoded autoluminescence,” Nature Biotechnology 38, 944–946(2020)

https://www.nature.com/articles/s41587-020-0500-9

DOI: 10.1038/ s41587-020-0500-9

[3] Yan, Y. & Lin, Y. Biosynthesis of caffeic acid and caffeic acid derivatives by recombinant microorganisms. US patent 8809028B2 (2012)

   
 
 
 
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