北京大学成功研制高时空分辨光电子成像系统

MEMS 2023-03-13 00:00

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飞秒-纳米时空分辨光学实验系统

“我们就是要在时间和空间上追求极限。”龚旗煌告诉《中国科学报》。在国家自然科学基金的支持下，中国科学院院士、北京大学教授龚旗煌团队长期致力于挑战科学前沿的“时空极限”研究，助力人们不断拓宽认知的边界。

该团队成功研制出高时空分辨光电子成像系统。它可让人们在纳米（10^-9米）量级（空间）和飞秒（10^-14秒）量级（时间）上看清纳米尺度结构及其时间演化，同时具备能量和动量分辨能力。该系统将推动等离激元光子学、量子材料、半导体材料等领域及其相关交叉学科在基础和应用研究方面的革命性发展。

“2020 中国光子产业高峰论坛” 上，龚旗煌曾发表过题为《光子的未来》的主旨报告。

光子学一词最早出现于 1970 年：荷兰科学家Arie Poldervaart首次提出 Photonics——“研究以光子为信息载体的科学” 和 “以光子作为能量载体的科学”。在1994 年的香山会议上，明确给了光子学一个定义：研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学，广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。

上世纪 60 年代，激光技术出现之后，平均每三年就有一个诺贝尔奖颁给光子学成果：许多物理学奖，甚至化学奖、生理学或医学奖，都用光子学技术做了许多工作。光子学不仅仅是推动了科学的发展，更多在人类进步当中起着越来越多的作用。

如果说20世纪是电的世纪，那么，21 世纪是光的世纪。

光子学的重要研究领域与方向，包含光子器件与光电集成、激光器件与应用、光电探测与传感、光电控制与处理、光传输与光交换、微纳光电子集成、量子光学与量子信息、微波光子学、生物医学光子学。实际上更重要的是一个系统工程，有光学加工制造的技术与应用、光电成像、光谱学和光的处理系统，还有光电测量、光电检测，以及真正最后形成的光学仪器和系统。

当前，光信息处理、光显示、光探测传感等领域的技术迭代更新，光电功能器件向超高密度、超快速度、超低功耗方向不断发展，研制基于新型材料的复合微纳器件成为一大趋势。这就要求人们弄清微纳米尺度下的光电超快动力学过程。然而，长期以来，我国一直缺乏在相关领域的研究积累。

2016年，在国家重大科研仪器研制项目的资助下，龚旗煌团队开始研制“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”。

“我们的目标是在空间和时间维度上，把分辨率做到极限（纳米量级和飞秒量级），并将二者结合起来，在极小的空间尺度下看清极快的变化过程，从而拓宽人们认知的边界。”龚旗煌说。

人眼能分辨出100微米大小的物体，借助光学显微镜能看到200纳米大小的物体，而电子显微镜则能让人看清0.1纳米大小的物体。有了这样一套系统，就像拥有一台10飞秒分辨率（比高速相机快1000万倍）的特殊超高速相机，同时具备电子显微镜的空间分辨能力，可以看清楚小于10纳米的结构。

“这个系统以前没人做过，国际上也没有经验可供借鉴，所以我们要不断尝试，很多时候都是在试错。”团队成员、北京大学教授刘运全对《中国科学报》说，“有时候觉得好像都做对了，但就是得不到理想信号，只能一遍遍检查、优化，钻进每个细节中反复调试，这样才能获得最优指标。”

“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”能看清材料的表面形貌，实时观测电子的动力学过程，因此是半导体材料、表面物理等领域一个新的研究手段。该系统能揭示激发态载流子与激子、声子、缺陷等相互作用的过程，可实现飞秒等离激元场的时空演化成像、拓扑缺陷的时空表征、微纳米等离激元器件的功能表征及操控、金属-半导体和二维材料中热载流子的动力学特性等研究。

团队合影

团队研制出国内首台基于气体高次谐波的超快极紫外光发射电子显微镜，并对空间、能量和时间分辨进行了表征，性能指标达到了国际领先水平。极紫外光发射电子显微镜的成功研制，为介观光子器件和微纳米尺度下超快光物理研究提供了先进平台，也为人类探索未知物质世界、发现新科学规律、实现技术变革提供了有力的研究工具。

目前，“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”兼具纳米-飞秒极端时空分辨功能，已在相关学科研究领域展现出强大能力。借助该系统，他们在等离激元金属纳米结构、半导体异质结构、钙钛矿材料等多种体系的载流子动力学，以及冰单晶微纳光纤光力学表征等领域已取得一批重要研究成果。在项目研制期间，团队在《科学》《自然》等期刊发表论文160余篇；围绕项目研制过程、重要技术难点及突破，申请专利25项，其中20项专利已获授权。

“我们已经进入该领域的第一梯队。”龚旗煌说，“经过这几年磨炼，团队有了很好的技术积累，利用该系统取得了一流成果。项目组正不断对其性能进行提升，完善仪器管理，并对国内外用户开放，提高大型仪器使用效率，服务科技创新和社会需求。”

《中国科学报》：该仪器目前在国际上处于什么水平？下一步，团队的研究重点或该领域的发展方向是什么？

龚旗煌：这是世界上最先进的极限时空分辨实验系统之一，国际上仅有少数几个国家在研制相关设备。这是目前国内唯一一套系统，其部分指标已经达到了国际领先水平。

下一步，我们将继续专注于基础研究，为前沿探索、为人们拓宽知识边界提供支撑。比如，在特殊二维材料、纳米材料新物态或新变化过程研究中，让人们在新的视野下重新认识物质的变化，拓展对材料、凝聚态、物理、光学的认识。在应用方面，我们为一些小尺度器件，比如芯片检测、诊断，高精尖科学器件检测、性能表征等提供支持。

参考链接：

[1]中科院院士龚旗煌最新解读，一文读懂光子产业的布局与未来 - 知乎 (zhihu.com)

[2]科学网—挑战科学前沿的“时空极限” (sciencenet.cn)

延伸阅读：
《新兴图像传感器技术及市场-2023版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
《光学和射频应用的超构材料-2022版》