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上海硅酸盐所等在类液态热电材料服役稳定性研究中取得进展
上海硅酸盐所等在类液态热电材料服役稳定性研究中取得进展
最近,中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员仇鹏飞、研究员史迅、陈立东与美国西北大学教授G. Jeffrey Snyder、德国吉森大学教授Jürgen Janek等合作,深入解析了类液态热电材料中可移动离子在外场作用下的迁移和析出机理,结合理论和实验提出“类液态”离子能否从材料中析出的热力学稳定极限判据,并给出了相应的实验表征方法和技术。在此基础上提出,引入“离子阻挡-电子导通”的界面可以显著提高类液态热电材料在强电场或者大温差下的服役稳定性。这一研究对于类液态热电材料的实际应用具有重要意义。相关研究成果发表于《自然-通讯》杂志(Nature Communications,DOI:10.1038/s41467-018-05248-8),研究团队自主搭建的设备及部分测量结果发表于《无机材料学报》杂志(Vol.32, 2017, 1337-1344),并申请中国发明专利。热电能量转换技术利用半导体材料的塞贝克(Seebeck)和帕尔贴(Peltier)效应实现热能与电能直接相互转化,在工业余热和汽车尾气废热发电等领域具有重要而广泛的应用前景。然而,受制于结构的长程有序性,传统的晶态化合物热电材料的晶格热导率存在一个最低极限(最小晶格热导率),限制了热电性能持续优化的空间。针对这一瓶颈问题,自2012年开始,陈立东和史迅带领的热电团队提出在固态材料中引入具有“类液态”特征的离子来降低热导率和优化热电性能,成功突破了晶格热导率在固态玻璃或晶态材料上的限制,进而发现了一大类具有“声子液体-电子晶体”特征的新型高性能(ZT~2.0@1000 K)类液态热电材料体系(Nat. Mater. 2012, Adv. Mater. 2013&2014& 2015&2017、Energ. Environ. Sci. 2014&2017、npj Asia Mater. 2015等),成为近年来热电材料领域的一个热点方向。但是,这些类液态热电材料(如 Cu2-δSe, Ag9GaSe6, Zn4Sb3等)中具有“类液态”特征的金属阳离子易在电场或温度场作用下长程迁移进而析出,导致较差的服役稳定性,限制了其实际应用。因此,通过研究类液态热电材料中离子的迁移过程和物理机制,进而提高其服役稳定性,是新型高性能类液态热电材料走向应用的关键。研究团队发现,在外场作用下,类液态热电材料中的金属阳离子(如Cu, Ag, Zn)将从样品一端向另一端定向长程迁移并产生离子浓度梯度。但是,只有在高浓度处的金属阳离子化学势等于或高于相应金属单质的化学势时,金属阳离子才会从材料中析出转变为金属单质,进而导致材料分解。因此,每种类液态热电材料都存在一个热力学稳定极限,只有当外场作用足够强,使材料超出这一极限时,离子析出和材料分解才会发生。否则,类液态热电材料将与传统晶态热电化合物相似,在外场作用下保持良好的稳定性和热电性能。基于电化学公式推导,该团队发现这一热力学极限的具体数值可以通过材料不发生分解时所能承受的最大外加电压(即临界电压)给出。临界电压是一个与材料尺寸无关的特征参量,仅与材料自身化学组分和所处环境温度有关。为了从实验上证明类液态热电材料热力学稳定极限的存在,该团队自主搭建了定量表征类液态热电材料服役稳定性的仪器。在恒温环境和给定温差环境下,分别利用相对电阻和相对塞贝克系数的变化作为评价参量,成功测量了一系列Cu2-δ(S,Se)类液态热电材料的临界电压,其数值范围为0.02-0.12V。在恒温环境下,随Cu缺失量δ增加或所处环境温度增加,Cu2-δ(S,Se)材料的临界电压逐渐增加,其数值与理论预测相吻合,表明材料中具有“类液态”特征的金属阳离子更难于析出。在给定温差环境下,Cu2-δ(S,Se)材料的临界电压还与材料内部热流方向有关。当热流方向与电流方向相同时,材料具有更小的临界电压,表明材料中的金属阳离子更容易析出。反之,当热流方向与电流方向相反时,材料具有增强的临界电压,材料稳定性显著增加。在对离子迁移和析出机理深入理解的基础上,该团队提出在类液态热电材料中引入“离子阻挡-电子导通”界面可以有效抑制具有“类液态”特征的金属阳离子的析出并提高类液态热电材料服役稳定性。因为金属阳离子无法通过“离子阻挡-电子导通”界面,外场的作用将会被由“离子阻挡-电子导通”界面所阻隔的各段类液态热电材料所共同分担,进而使材料整体上可以在更强的电场或者更大的温差作用下仍保持稳定。同时,“离子阻挡-电子导通”界面并不影响电子/空穴的自由传输,所以多段材料在获得高服役稳定性的同时,仍将保持本征的优良热电性能。这一策略在由导电碳层连接的多段Cu1.97S材料中成功得到了验证。该工作不仅为类液态热电材料的实际应用提供了可能性,也为提高其它电子/离子混合导体的服役稳定性提供了新的思路。研究工作得到了国家重点研发专项、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等的资助和支持。文章链接(a) 类液态热电材料的工作环境;大电流作用下(b)普通类液态热电材料和(c)具有“离子阻挡-电子导通”界面的类液态热电材料端面金属Cu析出情况类液态热电材料中离子迁移和析出的物理和化学过程(a) 不同长度Cu1.97S样品的临界电流与临界电压;(b) 具有不同化学计量比的Cu2-dS样品的临界电压;(c) 给定温差环境下Cu1.97S样品的临界电流;(d) Cu1.97S在不同温差和热流方向下的临界电压利用“离子阻挡-电子导通”界面提高服役稳定性的原理(a,b);(c) 恒温环境和(d) 给定温差环境下的实验结果来源:硅酸盐所
2018-07-30
激光诱导等离子体的自吸收抑制研究新进展
激光诱导等离子体的自吸收抑制研究新进展
激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种元素分析技术,具有快速、原位、微损、无需样品制备、全元素同步分析以及远程探测等诸多优点。然而,自吸收效应的存在严重干扰了激光诱导等离子体的发射光谱,破坏了光谱强度与元素浓度之间的线性映射关系,特别是自吸收严重时,谱线中心下凹(称为“自蚀”),严重影响定量分析精准度和灵敏度。针对自吸收效应对LIBS光谱分析造成的严重影响,武汉国家光电研究中心激光先进制造技术研究团队LIBS研究组郭连波副教授一直在探索从等离子体的本征物理特性出发来消除自吸收效应。2015年该团队提出了能态选择性激发抑制激光诱导击穿光谱的自吸收效应,该方法能够有效从源头抑制等离子体的自吸收效应,相关成果于2015年发表在美国光学学会旗下期刊Optics Letters 40 (22), 5224-5226(2015)上。由于上述方法必须预先确定待测元素的种类及其各个能态的相关参数,一次只能针对一种元素的一条谱线的自吸收进行抑制,采用的装置对环境要求苛刻等局限。为此,该团队又提出了一种在宽光谱范围(200~900 nm)内利用微波辅助激发LIBS (MAE-LIBS)同时抑制多元素的自吸收效应的新方法。研究了MAE-LIBS对钾长石中钠(Na)、钾(K)、铝(Al)、硅(Si)和钙(Ca)的自吸收抑制作用,并探讨了MAE-LIBS自吸收抑制的机理。结果表明,对于自吸收强的谱线自吸收抑制明显,例如钾长石中的Na I 589.0 nm,Na I 589.6 nm,K I 766.5 nm和K I 769.9的半高全宽(FWHMs)分别降低了43%、43%、53%和47%。结果证明,MAE-LIBS可以同时减少多元素的自吸收效应,并且微波激发装置具有体积小、价格低、操作简便、环境适应性强和维护简单等优点,有利于LIBS的高灵敏和高精准探测的推广及应用。2018年5月1日,研究成果《微波辅助激发抑制激光诱导击穿光谱中多元素的自吸收效应》(Multielemental self-absorption reduction in laser-induced breakdown spectroscopy by using microwave-assisted excitation)在美国光学学会旗下期刊Optics Express上在线发表。图. 微波辅助激发抑制激光诱导击穿光谱的自吸收效应装置图(a)和效果图(b)该项工作得到国家自然科学基金(615750731和5142950)的资助。郭连波副教授为论文通讯作者,陆永枫教授、曾晓雁教授、李祥友研究员、段军教授参与指导,博士生唐云为论文第一作者,博士后郝中骐、博士后唐仕松、博士生李嘉铭及硕士生朱志豪为共同作者。来源:武汉光电国家实验室(筹)
2018-05-05
基于集成光涡旋发射器的光纤本征模复用通信
基于集成光涡旋发射器的光纤本征模复用通信
空间模式在过去几十年中受到了研究者们的广泛关注,并被用于光通信应用来进一步提高通信系统的容量,满足信息时代急剧增长的容量需求。光涡旋作为一种空间模式,有一个相位奇点或者偏振奇点,对应轨道角动量模式(orbital angular momentum,OAM)和矢量光束(vector beam),因其独特的正交性广泛应用在光通信中,既有直接利用不同的光涡旋来进行信息编码的通信,也有将数据信息加载到光涡旋信道上进行复用的通信。在之前光纤空分复用通信中,通常采用的线性偏振模式(linearly polarized mode)和轨道角动量模式进行复用通信。这两种模式是通过光纤矢量本征模式的线性组合来合成,而光纤本征模式就对应一种矢量光束,也是一种空间模式,直接利用光纤本征模式进行复用通信为光纤中的容量增长提供了另外一种选择。此外,利用集成器件产生空间模式解决了光通信中通信系统的小型化的问题。武汉光电国家研究中心王健教授带领的多维光子学实验室(MDPL:Multi-Dimensional Photonics Laboratory)与中山大学蔡鑫伦教授,英国格拉斯哥大学Marc Sorel教授,烽火科技杜诚等合作,指导博士生刘俊,李仕茂等实现了由集成光涡旋发射器直接产生光纤矢量本征模并进行多路复用传输。通过利用内壁刻有角向光栅的硅微环谐振器产生的矢量涡旋模式(径向和方位角偏振光束),在2km大芯径光纤传输数据的光纤矢量本征模复用传输。采用这个方案,可以通过直接利用光纤中的多个矢量本征模为提高通信容量,并且提供紧凑的解决方案来替代用于生成各种光学矢量波束的大体积衍射光学元件。该工作以论文“Direct fiber vector eigenmode multiplexing transmission seeded by integrated optical vortex emitters” 发表在Light: Science & Applications (Vol. 7, PP. 17148, 2018) 上。Fig. 1. 基于集成光涡旋发射器的光纤本征模复用通信原理示意以上工作得到了国家973计划课题(2014CB340004, 2014CB340001, 2014CB340003)、国家自然科学基金(11690031, 61761130082, 11574001, 11774116, 11274131, 61222502, 61575224, 61622510)、牛顿高级访问学者基金, 2019人才计划青年拔尖奖励计划 (NCET-11-0182),青年长江奖励计划和新世纪人才计划等项目支持。文章链接:https://www.nature.com/articles/lsa2017148以上研究内容是在以下研究成果基础上的延伸。[1] Ruan Z, Shen L, Zheng S, et al. Subwavelength grating slot (SWGS) waveguide on silicon platform[J]. Optics Express, 2017, 25(15):18250. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-15-18250&origin=search[2] Zheng S, Ruan Z, Gao S, et al. Compact tunable electromagnetically induced transparency and Fano resonance on silicon platform[J]. Optics Express, 2017, 25(21):25655. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-21-25655&origin=search[3] Du J, Wang J. Design and fabrication of hybrid SPP waveguides for ultrahigh-bandwidth low-penalty terabit-scale data transmission[J]. Optics Express, 2017, 25(24):30124 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-24-30124&origin=search[4] Zheng S, Wang J. On-chip orbital angular momentum modes generator and (de)multiplexer based on trench silicon waveguides.[J]. Optics Express, 2017, 25(15):18492. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-15-18492&origin=search[5] Du J, Wang J. Chip-scale optical vortex lattice generator on a silicon platform [J]. Optics Letters, 2017,42(23):5054. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-42-23-5054&origin=search来源:武汉光电国家实验室(筹)
2018-04-27
涡旋光通信系列研究进展
涡旋光通信系列研究进展
光波的振幅、相位、偏振、波长和时间维度已经被广泛利用来提高光通信容量。除了这些传统的复用技术,轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)光束可以作为载波进行多路复用,从而提高系统的通信容量和频谱效率。目前,OAM通信研究已在国际上引起广泛关注。武汉光电国家实验室(筹)王健教授领衔的多维光子学实验室(MDPL:Multi-Dimensional Photonics Laboratory)一直致力于OAM光通信研究,在这个领域取得了系列进展。在光纤OAM通信研究方面:在自由空间中,李树辉老师提出了一种基于OAM阵列编码的新型光通信通讯技术。通过充分利用空间维度(正交的空间模式和空间位置),单个码元的信息量可以获得极大提升。采用此技术方案,系统的空间利用率和集成度也有望被提高。利用4个空间位置,每个位置包含5或6个OAM态,在实验中展示了625码元和1296码元的高维编码通信并评估了数据信息和图像信息在湍流下传输的性能。该工作以论文“Experimental demonstration of optical interconnects exploiting orbital angular momentum array”发表在Optics Express (vol. 25, no. 18, pp. 21537-21547, 2017)上。在光纤OAM通信中,博士生王璐璐提出了基于无载波幅相调制的模分复用无源光网络结构,在1.1km带有沟槽结构的椭圆光纤中实现了两个模式(LP01和LP11a)的复用。2.5-Gbaud CAP-16信号作为下行传输信号,成功实现了服务于4个终端用户并且单用户净速率达到5 Gb/s。该工作以论文“MDM transmission of CAP-16 signals over 1.1- km anti-bending trench-assisted elliptical-core few-mode fiber in passive optical networks” 发表在Optics Express (Vol.25, No.19, pp. 22991-23002, 2017)上。博士生朱龙实现了2.6公里OM3多模光纤中OAM模群复用传输。在实验中分别使用了4个模式(OAM0,1, OAM-1,1/OAM+1,1, OAM+2,1, and OAM+3,1)的传输,并且获得良好的通信性能。该工作以论文“Orbital angular momentum mode groups multiplexing transmission over 2.6-km conventional multi-mode fiber” 发表在Optics Express (Vol.25, No.21, pp. 25637-25645, 2017)上。根据课题组研究的进一步深入,博士生王安冬等人提出一种更低计算复杂度的基于传统多模光纤的OAM模式复用通信方案。通过利用多模光纤模群内部模式有效折射率差较小,但模群之间具有大有效折射率差的特性,采用模群间无干扰复用和模群内小规模MIMO辅助复用相结合的复用方式来大大降低系统复杂性与算法复杂度,仅通过2X2 和4X4 MIMO-DSP实验实现了6个OAM模式的10-Gbaud QPSK信号在8.8 km MMF中的复用传输,总传输容量为120 Gbit/s,六路OAM模式7% 前向纠错码(FEC)门限下的OSNR代价都小于2.5 dB。2018年4月9日,光学期刊Optics Express (Vol.26, No.8, pp. 10038-10047, 2018)发表了题为“6个轨道角动量模式在8.8 km传统多模光纤中的复用通信”(Directly using 8.8-km conventional multi-mode fiber for 6-mode orbital angular momentum multiplexing transmission)的研究成果。水下通信是海洋监测与海洋开发中一项关键技术。为了实现水下通信系统容量可持续地增长,光的空间维度可以引入到现有的水下无线光通信。在空分复用技术中,利用轨道角动量(OAM)进行复用被广泛的研究。博士生赵一凡首次在水下实现了4路轨道角动量模式广播通信,每路通道携带1.5-Gbaud 8-QAM-OFDM信号。同时,在实验中我们验证了更高调制格式的可能性。该方案具有可拓展性,轨道角动量模式数可以进一步提高。相关研究成果以论文“Demonstration of data-carrying orbital angular momentum-based underwater wireless optical multicasting link”发表在Optics Express (Vol.25, PP. 28743-28751, 2017).同时,为了解决水位的变化会导致的跨空水界面光通信中光束发生偏移从而造成光信号接收对准问题,武汉光电国家实验室光电子器件与集成功能实验室王健教授和博士生王安冬等人设计了一种可以根据接收到的OAM光束的强度分布自适应反馈的反射装置来实现光束的重新对准,并在长度为2 m的长方形水箱搭建实验平台验证。为了验证跨空水界面的数据信息传输性能,传输了灵活性较高的离散多音调制信号,并通过比较无反馈装置与有反馈装置下的系统误码率性能曲线,验证了所设计的反馈装置的有效性。2018年3月26日,光学期刊Optics Express (Vol.26, No.7, pp. 8669-8678, 2018)发表了题为“基于反馈装置的涡旋光水-空-水信息交换系统”(Adaptive water-air-water data information transfer using orbital angular momentum)的研究成果。另外,在OAM机理上,光为何会携带角动量,而且表现出不同的形式。针对这个问题,博士生方良从光的电场矢量演变角度出发,推导了光的各个维度角动量表达形式,分析了它们之间的内在联系,包括纵向自旋与轨道角动量,自旋轨道耦合,横向自旋角动量,以及圆偏振状态下的螺旋自旋流等。结果表明,光的纵向自旋和轨道角动量与光的电场矢量叠加有关,依赖于叠加电场分量的相位差与振幅大小。研究发现,自旋轨道耦合效应以及横向自旋是光的一种本征属性,普遍存在,只是在非旁轴情况下,由于纵向电场的增强而表现得很强烈。自旋轨道耦合以及横向自旋在微纳光学领域具有重要的研究价值,例如横向自旋可以应用于光子自旋控制的单方向耦合,导致了近年来手性量子光学的发展。该成果以题目“Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition” 发表在Optics Express上 (Vol. 25, pp. 23364-23375, 2017)。以上工作得到了国家973计划课题(2014CB340004,)、国家自然科学基金(61761130082, 11574001, 11774116, 11274131, 61222502)、英国皇家协会牛顿高级研究基金、2019人才计划青年拔尖奖励计划 (NCET-11-0182),青年长江奖励计划和新世纪人才计划等项目支持。文章链接:[1] Li S, Wang J. Experimental demonstration of optical interconnects exploiting orbital angular momentum array.[J]. Optics Express, 2017, 25(18):21537-21547. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-18-21537&origin=search[2] Wang L, Ai J, Zhu L, et al. MDM transmission of CAP-16 signals over 1.1- km anti-bending trench-assisted elliptical-core few-mode fiber in passive optical networks[J]. Optics Express, 2017, 25(19):22991-23002. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-19-22991&origin=search[3] Zhu L, Wang A, Chen S, et al. Orbital angular momentum mode groups multiplexing transmission over 2.6-km conventional multi-mode fiber.[J]. Optics Express, 2017, 25(21):25637-25645. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-21-25637&origin=search[4] Wang A, Zhu L, Wang L, et al. Directly using 8.8-km conventional multi-mode fiber for 6-mode orbital angular momentum multiplexing transmission[J], Optics Express.2018,26(8):10038-10047 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-8-10038&origin=search[5] Zhao Y, Xu J, Wang A, et al. Demonstration of data-carrying orbital angular momentum-based underwater wireless optical multicasting link[J]. Optics Express, 2017, 25(23):28743. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-23-28743&origin=search[6] Wang A, Zhu L, Zhao Y , et al. Adaptive water-air-water data information transfer using orbital angular momentum[J]. Optics Express.2018,26(7):8669-8678 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-7-8669&origin=search[7] Fang L, Wang J. Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition.[J]. Optics Express, 2017, 25(19):23364. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-19-23364&origin=search来源:武汉光电国家实验室(筹)
2018-04-20