国家纳米科学中心中科院纳米标准与检测重点实验室刘新风

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刘新风，2007年在东北师范大学获得硕士学位，导师刘益春教授。2011年在国家纳米科学中心获得博士学位，导师裘晓辉研究员。2011-2015年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作，合作者Sum Tze Chien教授。2015年进入国家纳米科学中心工作，被聘为“百人计划”研究员。研究方向为超快光学、纳米光子学和非线性光学。至今在Nature Materials, Nature Communications, Nano Letters, Advanced Materials, ACS nano 等国际一流期刊上发表论文30余篇，引用800余次。授权中国专利3项。


姓    名:刘新风        
性    别:男
职    务:无        
职    称:研究员
通讯地址:北京市海淀区中关村北一条11号
邮政编码:100190        
电子邮件:liuxf@nanoctr.cn        

研究领域：
1. 超快光学 2. 纳米光子学 3. 非线性光学
代表论著：
　  1.Jun Xing,# Xinfeng Liu,# Qing Zhang, Son Tung Ha, Yanwen Yuan, Chao Shen, Tze Chien Sum,Qihua Xiong, Vapor Phase Synthesis of Organometal Halide Perovskite Nanowires for Tunable Room-Temperature Nanolasers, Nano Letters 15, 4571-4577, 2015. (#equal contribution)
　　2.Qing Zhang, Guangyuan Li, Xinfeng Liu, Fang Qian, Yat Li, Tze Chien Sum, Charles M. Lieber, Qihua Xiong, A Room temperature Low-threshold Ultra-violet Plasmonic Nanolaser, Nature Communications 5, 4953, 2014.  
　　3.Jiong Lu, Kai Zhang, Xin Feng Liu, Han Zhang, Tze Chien Sum, Antonio H Castro Neto, Kian Ping Loh, Order–disorder transition in a two-dimensional boron–carbon–nitride alloy, Nature Communications 4, 2681, 2013.
　　4.Guichuan Xing, Nripan Mathews, Swee Sien Lim, Natalia Yantara, Xinfeng Liu, Dharani Sabba, Michael Gratzel, Subodh Mhaisalkar, Tze Chien Sum, Low-temperature solution-processed wavelength-tunable perovskites for lasing, Nature Materials 13, 476–480, 2014.
　　5.Xinfeng Liu, Qing Zhang, Wee Kiang Chong, Jing Ngei Yip, Xinglin Wen, Zhenpeng Li, Fengxia Wei, Guannan Yu, Qihua Xiong, Tze Chien Sum, Cooperative Enhancement of Second-Harmonic Generation from a Single CdS Nanobelt-Hybrid Plasmonic Structure, ACS Nano 9, 5018-5026, 2015.
　　6.Xinfeng Liu, Son Tung Ha, Qing Zhang, Maria de la Mata, Cesar Magen, Jordi Arbiol,Tze Chien Sum, Qihua Xiong, Whispering Gallery Mode Lasing from Hexagonal Shaped Layered Lead Iodide Crystals, ACS Nano 9, 687–695, 2015.  
　　7.Xinfeng Liu, Bo Wu, Qing Zhang, Jing Ngei Yip, Guannan Yu, Qihua Xiong, Nripan Mathews, and Tze Chien Sum, Elucidating the Localized Plasmonic Enhancement Effects from a Single Ag Nanowire in Organic Solar Cells, ACS Nano 8, 10101–10110, 2014.  
　　8.Qing Zhang,# Son Tung Ha,# Xinfeng Liu# (#equal contribution), Tze Chien Sum and Qihua Xiong, Room-Temperature Near-Infrared High-Q Perovskite Whispering-Gallery Planar Nanolasers, Nano Letters 14, 5995–6001, 2014.
　　9.Xinfeng Liu, Qing Zhang, Qihua Xiong, Tze Chien Sum, Tailoring the Lasing Modes in Semiconductor Nanowire Cavities Using Intrinsic Self-Absorption, Nano Letters 13, 1080–1085, 2013.
　　10.Xinfeng Liu, Qing Zhang, Jing Ngei Yip, Qihua Xiong, Tze Chien Sum, Wavelength Tunable Single Nanowire Lasers Based on Surface Plasmon Polariton Enhanced Burstein–Moss Effect, Nano Letters 13, 5336-5343, 2103.
　　11.Xinfeng Liu, Qing Zhang, Guichuan Xing, Qihua Xiong, and Tze Chien Sum, Size-Dependent Exciton Recombination Dynamics in Single CdS Nanowires beyond the Quantum Confinement Regime, J. Phys. Chem. C 117, 10716–10722, 2013.
　　12.Xinfeng Liu, Rui Wang, Yeping Jiang, Qing Zhang, Xinyan Shan, Xiaohui Qiu, Thermal conductivity measurement of an individual CdS nanowire using micro-photoluminescence spectroscopy, J. Appl. Phys. 108, 054310, 2010.  
　　13.Xinfeng Liu, Yongli Yan, Tingyin Ning, Xiaohui Qiu, One apparatus and method to measure the energy profile of focused laser beam in situ, Patent No. 201010124758.8
　　14.Xinfeng Liu, Tingyin Ning, Xiaohui Qiu, One method to measure the thermal conductivity of individual semiconductor nanowires, Patent No. 200910237150.3
　　15.Son Tung Ha, Xinfeng Liu, Qing Zhang, David Giovanni, Tze Chien Sum, Qihong Xiong, Synthesis of Organic–Inorganic Lead Halide Perovskite Nanoplatelets: Towards High-Performance Perovskite Solar Cells and Optoelectronic Devices, Advanced Optical Materials, 2014.
　　16.Guannan Yu, Xinfeng Liu, Guichuan Xing, Shi Chen, Chin Fan Ng, Xiangyang Wu, Edwin KL Yeow, Wen Siang Lew, Tze Chien Sum, Spatially-Resolved Ultrafast Optical Spectroscopy of Polymer-Grafted Residues on CVD Graphene, Journal of Physical Chemistry C, 118,708–713, 2014.
　　17.Qing Zhang, Xinfeng Liu, Muhammud Iqbal Bakti Utama1, Jun Zhang, María de la Mata, Jordi Arbiol, Yunhao Lu, Tze Chien Sum, Qihua Xiong, Highly Enhanced Exciton Recombination Rate by Strong Electron-phonon Coupling in Single ZnTe Nanobelt, Nano Letters 12, 6420-6427, 2013.  
　　18.Bo Wu, Xinfeng Liu, Than Zaw Oo, Guichuan Xing, Nripan Mathews, Tze Chien Sum, Resonant Aluminum Nanodisk Array for Enhanced Tunable Broadband Light Trapping in Ultrathin Bulk Heterojunction Organic Photovoltaic Devices, Plasmonics,7, 677-684, 2012.  
　　19.Bo Peng, Qing Zhang, Xinfeng Liu, Yun Ji, Hilmi Volkan Demir, Cheng Hon Alfred Huan, Tze Chien Sum, and Qihua Xiong, Fluorophore-doped Core-multishell Spherical Plasmonic Nanocavities: Resonant Energy Transfer towards a Loss Compensation, ACS Nano, 6(7), 6250, 2012.
　　20.Guangyuan Li, Xinfeng Liu, Xingzhi Wang, Yanwen Yuan, Tze Chien Sum, Qihua Xiong, Purified plasmonic lasing with strong polarization selectivity by reflection, Optics Express, 23, 15657-15669, 2015.

hundan

       近期，国家纳米科学中心标准与检测重点实验室的刘新风课题组与阿卜杜拉国王科技大学吴韬教授合作，使用化学气相沉积法成功在云母衬底上生长出具有高光学质量和稳定性的钙钛矿CH3NH3PbBr3单晶纳米三角锥材料，并在室温的条件下实现了激光。该结构形成了一种天然角锥棱镜微腔，其荧光光谱中出现许多有规律的振荡模式，通过理论计算与软件模拟相结合，作者提出了一种新型的法布里-珀罗谐振腔（F-P）模型来完美诠释了角锥棱镜微腔中的光学振荡模式，在80到200 K的低温条件下实现了激射；另一方面，通过在云母基底上镀银膜的改良方法大幅度降低其激光阈值（从92到26 μJ/cm2），最终在室温的条件下实现了激射。研究表明，这些天然形成的角锥棱镜钙钛矿CH3NH3PbBr3纳米结构在定向发射器和高密度激光阵列等方面都有很大的潜力。这种钙钛矿纳米晶体材料也是开发基本光电子器件甚至是用于研究量子光学中的光与物质相互作用的理想选择。

       相关工作发表在Small（DOI:10.1002/smll.201703136）上，第一作者为国家纳米科学中心标准与检测重点实验室的博士后米阳和阿卜杜拉国王科技大学的刘志雄。

基于钙钛矿材料新型角锥棱镜微腔的室温纳米激光器

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钙钛矿作为一种直接带隙半导体材料，因其具有高的载流子浓度，长的扩散长度，较低的俄歇复合速率及能隙匹配成为太阳能电池的热门材料。同时由于其能带连续可调、光学增益高、量子产率高，这使得钙钛矿材料在发光器件和光电探测器领域也有用武之地。钙钛矿的激子结合能为 20-73meV，明显高于等同禁带宽度的无机半导体材料，为研究强光-激子耦合作用提供了重要的介质。

有机-无机杂化钙钛矿

a 钙钛矿纳米线空间分辨荧光示意图； b 光子与激子强相互作用导致的上下支劈裂； c 耦合强度随微腔模式体积减小而显著增大

近期，国家纳米科学中心标准与检测重点实验室刘新风课题组与北京大学张青课题组合作，在溶液结晶法制得的有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbBr3纳米线中观察到了室温下光子与激子的强耦合作用。他们通过纳米线的空间分辨荧光得到了F-P振荡模式的发光光谱；针对发光谱中的传播模式，作者利用洛伦兹振子模型将其解释为激子与光子强耦合产生的激子极化激元模式，其耦合强度最大可达390 meV；同时随着耦合强度增大，光波导的的慢光效应更加显著，其群折射率高达11。他们进一步使用不同功率激光激发，发现钙钛矿纳米线中极化子发光主要处于其弛豫的“瓶颈区”，并指出克服瓶颈效应有望实现其极化子激光。该研究表明，这些生长形成的钙钛矿CH3NH3PbBr3纳米线在极化子相干光源，慢光器件等方面都具有很大的应用潜力。

相关工作发表在Advanced Optical Materials（DOI:10.1002/adom.201701032）上。

xiangli

钙钛矿微腔中光子-激子强耦合

Photon-excitonstrong interaction in perovskite micro-cavities

刘新风

国家纳米科学中心 中关村北一条11号

liuxf@nanoctr.cn

高光学质量钙钛矿CH3NH3PbBr3单晶纳米线形成了一种天然的法布里-珀罗（F-P）谐振腔; 利用空间分辨荧光得到了钙钛矿纳米线微腔中的F-P传播模式, 结合理论模拟计算，我们得到钙钛矿纳米线中传播的并不是纯粹的光学模式，而是激子与光子发生强耦合作用后的极化子模式；同时随着耦合强度增加 “慢光效应”也更加显著。通过改变不同的激发条件探讨了在钙钛矿米线中产生极化子激光的可能性，指出克服钙钛矿微腔中极化子的“瓶颈效应”是其实现的关键。进一步，利用全无机CsPbBr3单晶纳米线更为优良的热稳定性及振子强度，在强相互作用条件下实现了室温条件下的polariton激光发射，并且其阈值较传统的photonic激光低一个数量级。另外，结合表面等离激元的强电场效应，我们设计了一种可进一步增强微腔中的激子和光子相互作用强度的结构，并从实验上观察到了这种增强效应。

关键词：光子-激子强耦合；钙钛矿；纳米线；极化子激光

参考文献：

1.       WennaDu, Shuai Zhang, Qing Zhang, Xinfeng Liu,* Recent Progress of StrongExciton–Photon Coupling in Lead Halide Perovskite, Advanced Materials, Just Accepted (2018)

2.       WennaDu, Shuai Zhang, Jia Shi, Jie Chen, Zhiyong Wu, Yang Mi, Zhixiong Liu, YuanzhengLi, Xinyu Sui, Rui Wang, Xiaohui Qiu, Tom Wu, Yun Feng Xiao*, Qing Zhang* and Xinfeng Liu*, Strong Exciton-PhotonCoupling and lasing behavior in All-Inorganic CsPbBr3 Micro/nanowireFabry-Pérot cavity, ACS Photonics,DOI: 10.1021/acsphotonics.7b01593 (2018)

3.       ZhiyongWu, Jie Chen, Yang Mi, Xinyu Sui, Shuai Zhang, Wenna Du, Rui Wang, Jia Shi,Xianxin Wu, Xiaohui Qiu, Zhaozhao Qin, Qing Zhang, and Xinfeng Liu*,All-inorganic CsPbBr3 Nanowire Based Plasmonic Lasers, Advanced Optical Materials, Doi.org/10.1002/adom.201800674 (2018)

4.       ZhixiongLiu, Yang Mi, Xinwei Guan, Zhicheng Su, XinfengLiu,* and Tom Wu*, Morphology Tailored Halide Perovskite Platelets andWires: From Synthesis, Properties to Optoelectronic Devices, Advanced Optical Materials, DOI:10.1002/adom.201800413 (2018)

5.       Qiuyu Shang, Shuai Zhang, Zhen Liu, Jie Chen, Pengfei Yang, Chun Li, Wei Li,Yanfeng Zhang, Qihua Xiong*, Xinfeng Liu*,and Qing Zhang*, Surface Plasmon Enhanced Strong Exciton-Photon Coupling inHybrid Inorganic-Organic Perovskites Nanowires, Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04847 (2018)

6.       YangMi, Zhixiong Liu, Qiuyu Shang, Xinxiang Niu, Jia Shi, Shuai Zhang, Jie Chen,Wenna Du, Zhiyong Wu, Rui Wang, Xiaohui Qiu, Xiaoyong Hu, Qing Zhang, Tom Wu,*and Xinfeng Liu,* Fabry-PérotOscillation and Room Temperature Lasing in Perovskite Cube-Corner PyramidCavities, Small, 14, 1703136 (2018)

7.       ShuaiZhang, Qiuyu Shang, Wenna Du, Jia Shi, Yang Mi, Jie Chen, Zhiyong Wu, YuanzhengLi, Mei Liu,* Qing Zhang,* Xinfeng Liu,*Exciton-Polaritons in Hybrid Inorganic-organic Perovskite Fabry-PérotMicrocavity, Advanced Optical Materials,6, 1701032 (2018)

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2018自然科学基金项目-钙钛矿微腔中光子与激子强耦合作用研究
批准号        11874130        学科分类        微纳光学与光子学 ( A040407 )
负责人        刘新风        职称                单位名称        国家纳米科学中心
资助金额        64万元        项目类别        面上项目        起止年月        2019年01月01日 至 2022年12月31日

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激光器作为20世纪一个重大发明，在现代生活和工业生产中有广泛的应用。激光引发了科学技术领域各种应用的革命和演变，极大地促进了我们社会生活的现代化。随着纳米技术的进步，在各种各样的半导体纳米结构，例如纳米线，纳米片，量子点和光子晶体等实现了激光。但到目前为止，小型激光器仍然存在大的光学损耗和高激光阈值，限制了其实际应用。使用连续光泵浦实现激光器，对于高密度集成光电器件中的实际应用是至关重要的。尽管在传统的外延III-V和III族氮化物半导体中可以使用连续光泵浦激光器，但在有机半导体材料和新兴的混合钙钛矿材料中实现连续光泵浦激光器有着巨大的应用价值，但仍面临着挑战。

激光

卤化物钙钛矿材料在太阳能电池和光电子器件等领域有着非常广阔的前景。钙钛矿是一种直接带隙半导体材料，因具有带隙可调、吸收系数大、光学增益高、量子产率高以及缺陷态密度低等优点，被证明是连续光泵浦激光器的优良增益材料。近期，基于最近铅卤钙钛矿连续光泵浦实现激光器的研究进展，国家纳米科学中心刘新风团队在Wiley期刊Advanced Optical Materials上以“Continuous-Wave Pumped Perovskite Lasers”为题发表了相关的综述论文。文章首先概述了铅卤钙钛矿材料光学性质以及在激光方面的表现。然后结合最近钙钛矿连续激光的具体工作，从在平面微腔中的钙钛矿薄膜、CsPbBr3钙钛矿纳米线中实现连续光泵浦激光器等方面进行了综述，研究并讨论了连续光泵浦钙钛矿激光器中激光阈值的比较。最后，强调了这种钙钛矿连续光泵浦激光器的重要性，同时提出了基于钙钛矿的连续光泵浦激光器的潜在机遇和挑战。

相关工作发表在Advanced Optical Materials（DOI:10.1002/adom.201900544）上。课题组主页请参阅 http://www.escience.cn/people/liuxf/index.html 。

wuyuan

光子器件的小型化，集成化及快速响应迫切需要推进对光在微纳尺度上耦合与传播的控制。近年来人们发现卤铅钙钛矿具有室温下高效率的激子发光行为,另外高质量的钙钛矿单晶易于制备，这使得钙钛矿材料在光子学器件应用上的优势得以体现。
　　二维钙钛矿是一类层状半导体材料，其无机骨架被有机分子层隔开。由于具有二维层状特征和相对较高的量子效率，二维钙钛矿材料在微纳尺度光腔构建上具有独特优势。二维钙钛矿的独特性质对光腔的构建提出什么要求，以及如何选择合适的光腔和钙钛矿形态是迫切需要回答的问题。
　　针对该研究现状，国家纳米科学中心刘新风课题组对二维钙钛矿的光腔应用及其内在的光与物质相互作用进行了讨论和展望。相关综述作为封面文章发表在《光子学研究》（Photonics Research）杂志的2020年第11期上（Cavity engineering of two-dimensional perovskites and inherent light-matter interaction. Photonics Research, 2020, 8(11): A72-A90）。
　　该文章首先从二维钙钛矿独特的光学性质、制备方法和微腔的构建途径等方面展开论述。二维钙钛矿相比于三维钙钛矿具有更高的量子产率和较低的缺陷密度，同时呈现出更单纯的激子发光和光学各向异性。

光子器件

　　图：构建二维钙钛矿的光学腔

　　文章重点讨论了基于二维钙钛矿光学微腔的应用，如光子-激子强耦合、光子激光和光电器件等。在构建强耦合体系方面，回顾了在不同光腔体系中实现的激子与光腔模式的强耦合，特别是在单晶片的DBR光腔中观察到了自旋依赖的极化激元相互作用和玻色-爱因斯坦凝聚现象。在光子激光方面，指出单层无机骨架的二维钙钛矿由于强烈的激子-声子耦合作用和俄歇复合反而抑制了光增益的产生，而在准二维（多层）钙钛矿中得以改善。在光电器件方面，指出光腔对特定能量位置处吸收和发射的增强有利于提高器件性能，构建新型功能器件。
　　最后探讨了二维钙钛矿在光腔应用方面的机遇和挑战。其中如何可控生长大面积单晶薄膜是下一步的目标。另外从二维到准二维钙钛矿的转变如何影响光增益和激子极化激元的形成也是需要进一步解决的问题。二维钙钛矿光腔有望在非线性光学器件集成方面实现突破，但同时也需要解决环境稳定性及潜在的重金属污染等问题。
　　该综述一经发表便得到了广泛的关注。《光子学研究》（Photonics Research）杂志的主编杨兰教授(华盛顿大学)对此将二维钙钛矿评价为“明星级别的材料”。她指出通过调节起间隔作用的阳离子以及非对称的晶格结构，和三维材料相比，有更多的自由度来调节材料的能带结构、非线性光学和光电性能。如何利用二维钙钛矿材料的光电特点并将其与应用广泛的光学腔结合，在功能器件上实现更多的突破是一个值得探索的课题。
　　国家纳米科学中心博士研究生张帅为该研究的第一作者,刘新风研究员为通讯作者。该项工作得到了中国科学院战略性先导专项(B类)，科技部重点研发计划，国家自然科学基金委和低维量子物理重点实验室开放课题等项目的支持。
　　文章链接https://doi.org/10.1364/PRJ.400259 。

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1月12日，由中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的《半导体学报》发布了2022年度“中国半导体十大研究进展”。其中国家纳米科学中心刘新风研究员团队与合作者的“超高热导率半导体-砷化硼载流子迁移率精准测定”成果成功入选。
        刘新风研究员团队联合休斯顿大学包吉明团队和任志锋团队世界上首次精准测定了超高热导率半导体-立方砷化硼（c-BAs）单晶的载流子迁移率；立方砷化硼材料高的载流子迁移速率以及超高的热导率，表明该材料可广泛应用于光电器件、电子元件等领域，为其大规模应用指明了方向。该成果发表于《科学》杂志 (Science, 2022, 377: 433-436)。

载流子扩散

图. 瞬态反射显微成像和立方砷化硼的载流子扩散。（A）实验装置示意图，激发波长为600 nm探测波长为800 nm；（B）不同时刻的瞬态反射显微成像（标尺1微米）；（C）典型的载流子动力学；（D）0.5 ps的二维高斯拟合；（E）不同时刻的载流子分布方差随时间的演化及载流子迁移率。

       《半导体学报》于2020年首次启动“中国半导体十大研究进展”评选活动，旨在遴选、记录我国在半导体基础研究领域的年度标志性成果。三年来，该评选活动获得了广泛关注。
        2022年，第三届“中国半导体十大研究进展”评选活动共有55项成果获得候选推荐资格。2023年1月，由248位半导体领域专家组成的评选委员会经过严格评审，评选出10项优秀成果荣膺2022年度“中国半导体十大研究进展”；10项成果荣获2022年度“中国半导体十大研究进展”提名奖。
        相关链接：https://mp.weixin.qq.com/s/wQNmUljM6GxKXVxyeHbGZg