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

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》

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论
  • 延续前一篇「抢搭智慧家庭生态圈热潮(一) 充满陷阱的产品介绍」系列文章,购买智能家电时需留意是否标有Works With Alexa (WWA)标章,然而,即使有了WWA标章后,产品难道就不会发生问题了吗?本篇由百佳泰将重点探讨在Alexa智能家居设备应用的实验中所遭遇到的问题。智能家庭隐忧浮现:智能家电APP使用状态不同步在先前的文章中,我们有提过建构Alexa智能家庭的三个主要元素:Alexa Built-in Devices(ABI)、Alexa Connected Device,以及Al
    百佳泰测试实验室 2024-12-05 15:26 37浏览
  • 热电偶是zui常用的温度传感器类型。它们用于工业、汽车和消费应用。热电偶是自供电的,可以在很宽的温度范围内工作,并且具有快速的响应时间。热电偶是通过将两条不同的金属线连接在一起制成的。这会导致塞贝克效应。塞贝克效应是两种不同导体的温差在两种物质之间产生电压差的现象。正是这种电压差可以测量并用于计算温度。有几种类型的热电偶由各种不同的材料制成,允许不同的温度范围和不同的灵敏度。不同的类型由zhi定的字母区分。zui常用的是K型。热电偶的一些缺点包括测量温度可能具有挑战性,因为它们的输出电压小,需要
    锦正茂科技 2024-12-05 14:22 25浏览
  • 现在最热门的AI PC,泛指配备了人工智能AI的个人电脑,虽然目前的AI功能大多仅运用于增加个人电脑的运算力及用户使用体验。然而,各家AI PC厂商/品牌商却不约而同针对Webcam的AI功能大作文章,毕竟这是目前可以直接让消费者感受到、最显著、也是最有感觉的应用情境!目前各家推出Webcam 的AI功能包括有:● 背景虚化● 面部识别和追踪。● 自动调节● 虚拟化和滤镜● 安全和隐私面临的困境:惊吓大于惊喜的AI优化调校由于每款AI PC的相机都有自己的设定偏好及市场定位,一旦经过AI的优化调
    百佳泰测试实验室 2024-12-05 15:30 39浏览
  • DT640系列硅二极管温度传感器选用了专门适用于低温温度测量的硅二极管。相比普通硅二极管,具有重复性好、离散性小、精度更高温度范围更宽、低温下电压相对高而易于测量等特点。所有此款温度计都较好地遵循一个电压-温度(V-T)曲线,因而具有更好的可互换性。很多应用中都不需要单独的标定。DT640-BC型裸片温度计,相比市场上的其它温度计,具有尺寸更小、热容更小、响应时间更短的特点。在尺寸、热容以及响应时间有特殊要求的应用中具有du特的优势。   以下是二极管温度传感器的测
    锦正茂科技 2024-12-05 13:57 23浏览
  • 本文介绍RK3566/RK3568开发板Android11系统,编译ROOT权限固件的方法。触觉智能Purple Pi OH鸿蒙开发板演示,搭载了瑞芯微RK3566四核处理器,Laval鸿蒙社区推荐开发板,已适配全新OpenHarmony5.0 Release系统,SDK源码全开放!关闭Selinux修改以下路径文件:adevice/rockchip/common/BoardConfig.mk修改代码如下:BOARD_BOOT_HEADER_VERSION ?= 2BOARD_MKBOOTIMG
    Industio_触觉智能 2024-12-05 10:27 16浏览
  • CS5466AUUSB-C  (2lanes)to HDMI2.1 8K@30HZ(4K@144) +PD3.1  CS5563DP  (4lanes) to HDMI2.1 10k@60Hz CS5565USB-C  (4lanes) to HDMI2.1 10k@60Hz CS5569USB-C (4lanes) to HDMI2.1 10k@60Hz +PD3.1CS5228ANDP++ to HDMI(4K
    QQ1540182856 2024-12-05 15:56 77浏览
  • ①辐射发射测试(RE):评估电子、电气产品或系统在工作状态下产生的电磁辐射干扰程度,确保其不会干扰其他电子设备,同时可以确保产品的电磁辐射水平在安全范围内,从而保护用户免受电磁辐射的危害。消费类常见测试标准:EN55032 (RE&CE)、 CLASS A和CLASS B ②传导发射测试(CE):评估电子、电气产品或系统在工作状态下传导电磁骚扰的水平,是确保产品符合电磁兼容性(EMC)要求的重要步骤,保护其他设备免受干扰。常见测试标准:国标18655(RE&CE) 分为5个等级,常规的是过3等级
    时源芯微 2024-12-05 15:16 36浏览
  • 在阅读了《高速PCB设计经验规则应用实践》后,对于PCB设计的布局经验有了更为深入和系统的理解。该书不仅详细阐述了高速PCB设计中的经验法则,还通过实际案例和理论分析,让读者能够更好地掌握这些法则并将其应用于实际工作中。布局是走线的基础,预先的规划再到叠层的选择,电源和地的分配,信号网络的走线等等,对布局方面也是非常的关注。布局规划的重要性: 在PCB设计中,布局规划是至关重要的一步。它直接影响到后续布线的难易程度、信号完整性以及电磁兼容性等方面。因此,在进行元件布局之前,我们必须对PCB的平
    戈壁滩上绽放 2024-12-05 19:43 54浏览
  • 2024年12月3日至5日,中国电信2024数字科技生态大会在广州举行,通过主题峰会、多场分论坛、重要签约及合作发布等环节,与合作伙伴共绘数字科技发展新愿景。紫光展锐作为中国电信的战略合作伙伴受邀参会,全面呈现了技术、产品创新进展,以及双方在多领域的合作成果。紫光展锐董事长马道杰受邀出席大会主论坛,并在大会期间发表视频致辞。  深化战略合作,共建数字未来马道杰董事长在视频致辞中指出,紫光展锐作为世界一流芯片设计企业,依托在芯片、通信和软硬件集成领域的深厚积累,与中国电信密切合
    紫光展锐 2024-12-05 14:04 35浏览
  • ~同等额定功率产品尺寸小一号,并保证长期稳定供应~全球知名半导体制造商ROHM(总部位于日本京都市)在其通用贴片电阻器“MCR系列”产品阵容中又新增了助力应用产品实现小型化和更高性能的“MCRx系列”。新产品包括大功率型“MCRS系列”和低阻值大功率型“MCRL系列”两个系列。在电子设备日益多功能化和电动化的当今世界,电子元器件的小型化和性能提升已成为重要课题。尤其是在汽车市场,随着电动汽车(xEV)的普及,电子元器件的使用量迅速增加。另外,在工业设备市场,随着设备的功能越来越多,效率越来越高,
    电子资讯报 2024-12-05 17:03 51浏览
  • 应用环境与客户需求蓝牙设备越来越普及,但在高密度使用环境下,你知道里面潜藏的风险吗?用户在使用蓝牙配件(如键盘、鼠标和耳机)时,经常面临干扰问题,这主要是因为蓝牙设备使用的2.4GHz频段与许多其他无线设备(如Wi-Fi、Thread等)重迭,导致频段拥挤,进而增加干扰的可能性。【常见干扰情境】客服中心:客服中心通常有大量的工作站,每个工作站可能都配备有蓝牙键盘、鼠标和耳机。由于这些设备都使用4GHz频段,客服中心内部的频段拥挤会增加讯号干扰的可能性。再加上中心内部可能有多个无线网络设备和其他电
    百佳泰测试实验室 2024-12-05 16:17 52浏览
  • RK3506单板机(卡片电脑)是一款高性能三核Cortex-A7处理器,内部集成Cortex-M0核心,RK3506单板机具有接口丰富、实时性高、显示开发简单、低功耗及多系统支持等特点,非常适合于工业控制、工业通信、人机交互等应用场景。 多核异构3xCortex-A7+Cortex-M0 外设接口丰富,板载网络、串口、CAN总线 支持Buildroot、Yocto系统,支持AMP混合部署 支持2D硬件加速,适用于轻量级HMI目前RK3506主要分为3种型号
    万象奥科 2024-12-05 16:59 52浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦