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王国燕团队设计作品案例（13）Cell Research封面故事：ATM激酶别构调节的分子机制: rubyland 2020-1-14 22:08; 基因组稳定性维持是一切生命活动的基础，然而，多种外源和内源因素产生的广泛 DNA 损伤和复制压力，构成了基因组不稳定的主要来源。ATM和 ATR (ataxia telangiectasia and Rad3-related protein) 激酶分别启动细胞对 DNA 双链断裂损伤和 DNA 单链断裂损伤/不稳定复制叉的DNA 损伤应答响应。解析 ATM 和 ATR 激酶的三维结构，并在此基础上理解 ATM和 ATR 活性严谨调控的分子机制，不仅具有阐明基因组稳定性调控的重大科学意义，也将对肿瘤放射治疗的新型增敏剂的研发起到重要的指导作用。 2019年5月16日，中国科学技术大学生命科学学院蔡刚教授课题组题在 Cell Research以封面故事文章的形式发表了题为 Structural basis of allosteric regulation of Tel1/ATM kinase 的研究论文，阐明了基因组稳定性调控核心激酶-ATM (ataxia-telangiectasia mutated) 别构调节的分子机制。 Cell Research 封面故事设计：王国燕、陈磊对称性二聚体长的像个蝴蝶，有活性的不对称性二聚体相比之下稍微紧致收缩些。 Tel1/ATM 激酶负责启动细胞对 DNA 双链断裂的响应和修复。基于以上基本点，我们把 Tel1 结构抽象成蝴蝶，停在像 DNA 的枝叶上，对应断裂 DNA 位点处招募的 ATM 激酶。可以画多只蝴蝶，翅膀的开合状态不一样，对应非活性（对称性二聚体）和有活性的（非对称性二聚体）的不同状态。新闻来源： http://www.ebiotrade.com/newsf/2019-5/2019520145504451.htm; 个人分类: 科技传播|3165 次阅读|0 个评论

2019年第6期封面文章：河北工业大学张紫辉团队：提高DUV LED空穴注入效率的若干措施: Chineselaser 2019-4-12 17:06; 河北工业大学张紫辉团队：提高DUV LED空穴注入效率的若干措施封面文章| 田康凯,楚春双,毕文刚,张勇辉,张紫辉. AlGaN基深紫外发光二极管空穴注入效率的提高途径 . 激光与光电子学进展, 2019, 56(6): 060001 以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度快和抗辐射能力强等优点，在固态照明、电子电力和移动通信等领域具有广泛的应用。其中，固态照明对于改善当今全球变暖以及生态环境恶化具有重要的意义。除了节能环保，以深紫外发光二极管（DUV LED）为代表的紫外LED凭借其光子能量大的特点在杀菌消毒等领域有着广泛应用。紫外LED根据发光波长可细分为：UVA LED（320 nmλ400 nm）、UVB LED（280 nmλ320 nm）、UVC LED（200 nmλ280 nm）以及VUV（10 nmλ200 nm），其中DUV LED的发光波长短于360 nm。而AlGaN材料具有直接带隙且带隙可调（3.4 eV~6.2 eV）的特点，覆盖了绝大部分的紫外发光波段（200 nm ~ 365 nm），因此成为制备DUV LED的理想材料。近年来，得益于AlGaN材料的制备技术更加趋于完善，DUV LED也取得了长足的进步与发展。图 1 DUV LED器件典型的外延结构图尽管如此，基于AlGaN材料的DUV LED目前仍面临诸多问题： 1）LED属于表面出光器件，所以沿着生长方向传输的光子更容易被提取，有利于提高器件的光提取效率（LEE）。而相较于InGaN材料，AlGaN材料独特的价带分布导致DUV LED的出光以TM模式偏振光为主，这极大程度上削弱了器件的LEE。具体而言，对于InGaN材料，最靠近布里渊区中心的价带为重空穴带（HH band），所以载流子的复合以C-HH跃迁为主，TE模式偏振光占主导；对于AlN材料，最靠近布里渊区中心的价带为晶格场劈裂带（CH band），所以载流子的复合以C-CH跃迁为主，TM模式偏振光占主导。 2）尽管AlGaN外延生长水平取得了一定的进步，但目前DUV LED器件的穿透位错密度（TDD）仍高达109~1010cm-2，严重增加了有源区内SRH复合几率，降低DUV LED的内量子效率（IQE）。 3）III-V族氮化物中存在的极化效应引起量子阱能带的弯曲，造成电子与空穴波函数空间分离，严重削弱载流子的复合效率，即所谓的量子限制斯塔克效应（QCSE）。尤其是AlGaN材料自发极化强度明显强于InGaN材料。 4）由于低空穴浓度与低空穴迁移率，导致电流主要拥挤在电极下方，引起电流拥挤效应。从而造成载流子局域浓度的升高，增加了有源区内俄歇复合几率，造成器件结温的升高，影响DUV LED的使用寿命。 5）低载流子注入效率进一步限制了DUV LED的器件性能，尤其是空穴注入效率。一方面，随着Al组分的增加，Mg杂质的电离能逐渐增大，导致Mg的离化率极低；另一方面，p-EBL在抑制电子泄漏的同时还会阻碍空穴注入至有源区，尤其是空穴的迁移率比较低。针对DUV LED器件中的低空穴注入效率，来自河北工业大学张紫辉教授团队对DUV LED器件结构进行优化设计，提出了介电调控隧穿结，电场存储器概念，p-AlyGa1-yN/p-AlxGa1-xN/p-AlyGa1-yN (xy) EBL等措施来提高空穴注入效率。措施（一）介电调控隧穿结传统LED的p型电极直接溅射蒸镀在p型半导体层，而低Mg掺杂效率导致p型半导体层中存在明显的空穴耗尽区，增加器件工作电压的同时减小了供给层中的空穴浓度。为此，研究人员提出利用传统同质隧穿结（p+-Gan/n+-GaN）和极化隧穿结（p+-Gan/InGaN/n+-GaN），其中n+-GaN层做金属接触层，来改善LED器件的空穴注入及电学特性。而对于UV LED而言，InGaN插入层对紫外波段的光子存在着严重的光吸收。同时，鉴于AlGaN材料的相对介电常数随着AlN组分的增加而减小，如图2（a），张紫辉教授团队采用AlGaN材料做插入层，并提出介电调控隧穿结的概念，利用增强的结区电场来增加电子的隧穿几率，从而提高p+-Gan层中的非平衡态空穴浓度。图2（a）Al x Ga 1-x N层相对介电常数和AlN组分之间的关系；（b）具有传统同质隧穿结的器件（A1）和具有介电调控隧穿结的器件（A2）隧穿结区的电场分布图。插图为隧穿结区电场峰值和极化水平之间的关系。（二）电场存储器传统的DUV LED器件的空穴供给层包括p-AlGaN层和p-GaN层两部分。二者界面处存在着阻碍空穴从p-GaN层注入至p-AlGaN层的势垒高度（即Φh），因此在p-AlGaN层靠近p-GaN层附近处产生空穴耗尽区，如图3（a），而且该耗尽区宽度随Φh增加，造成空穴在p-AlGaN层中被严重地耗尽。针对此问题，张紫辉教授团队发现该耗尽电场方向与空穴传输方向一致，可以对空穴起到一定的加速效果，增加空穴注入至有源区的能力，如图3（b），此外，Φh保证了p-AlGaN层中的耗尽电场并不会被自由载流子所屏蔽。因此该团队提出了电场存储器的概念，即空穴可以从该耗尽电场中源源不断地获取能量。图3 (a) DUV LED器件的空穴供给层p-AlxGa1-xN/p-GaN异质结对应的能带图，其中p-AlxGa1-xN层存在界面耗尽区；(b) p-AlxGa1-xN层界面耗尽区中的电场方向示意图。（三）p-Al y Ga 1-y N/p-Al x Ga 1-x N/p-Al y Ga 1-y N ( x y ) EBL p-EBL防止电子泄漏同时也会阻碍空穴注入至有源区。图4（a）表明大量空穴将积聚在p-EBL/p-AlGaN界面处，只有少数具有高能量的空穴通过热辐射机制（即P1）注入至有源区。通过与台湾交通大学Kuo Hao-Chung教授团队进行合作研究，张紫辉教授和Kuo Hao-Chung教授等人建议在EBL中靠近p-AlGaN层一侧插入一层薄的低禁带宽度的材料，利用带内隧穿机制（即P0）减小空穴在p-EBL/p-AlGaN界面处的积聚，接着空穴通过热辐射机制（P2）注入至有源区，如图4（b），4（c）。图4 (a) 传统DUV LED器件的能带示意图；(b) 具有p-AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlxGa1-xN (xy) EBL的DUV LED器件的能带示意图；(c) p-EBL和p-AlGaN层的空穴分布图。（四）极化效应对空穴注入的影响 III-V族氮化物具有一个重要的物理性质，即极化效应。对于传统的晶向DUV LED，极化效应不仅导致了量子限制斯塔克效应，而且严重影响载流子的注入效率，造成器件性能的衰减。然而，当整体改变DUV LED器件结构的极化水平，晶向（极化水平大于0）的器件性能明显优于晶向的器件，而且光输出功率随着极化水平增加而进一步被改善如图5（a）。图5（b）表明不同极化水平下，空穴在有源区、p-EBL和空穴供给层中的分布迥然不同。张紫辉教授团队对该现象做了详细的研究，发现增加p-EBL/p-AlGaN/p-GaN界面处的极化水平，一方面增加了空穴的能量，另一方面削弱了p-EBL对空穴的阻碍势垒高度，从而提高空穴注入效率，改善DUV LED的器件性能。图5 注入电流为 35mA时，(a) DUV LED器件光输出功率与极化水平之间的关系和(b) 不同极化水平下，量子阱，p-AlGaN层和p-GaN层中的空穴分布图。（五）不同AlN组分量子垒对空穴注入的影响张紫辉教授与Kuo Hao-Chung教授等人还发现，最后一个量子垒和p-EBL界面处的极化电荷对空穴注入效率有着重要的影响。当适当增加量子垒组分的时候（E3E2E1），量子阱中电子浓度明显增加，这主要是量子垒对电子的束缚能力得到增强，如图6（a）。同理，量子垒对空穴的阻碍作用也会明显地增强，理论上不利于空穴的注入，但是图6（b）表明空穴随着量子垒组分的增加而增加。这是由于随着量子垒中AlN组分的增加，最后一个量子垒和p-EBL间的极化失配度减小，削弱了p-EBL对空穴的阻碍能力，从而提高有源区内空穴的浓度，如见图6（c）。图6 注入电流密度为100 A/cm2时，（a）量子阱中的电子分布；(b) 量子阱中的空穴分布和（c）UVA LED器件能带示意图。总结 DUV LED拥有巨大的市场价值和广阔的应有前景，但低空穴注入效率严重限制了DUV LED的进一步普及。除了在外延生长技术方面寻求突破，了解DUV LED内部物理机理有利于研究领域人员更好地认知DUV LED，改善DUV LED器件性能。张紫辉教授团队系统地分析了几种改善DUV LED空穴注入效率的措施，深刻地揭示了其中的物理机理，对于改善DUV LED的器件性能具有重要的物理意义。; 5559 次阅读|0 个评论

《光学学报》2018年第12期封面故事：基于微通道板的单光子激光测高技术研究: Chineselaser 2019-1-10 13:35; 基于微通道板的单光子激光测高技术研究激光测高是一种基于卫星平台获取地表三维信息的先进测量手段，被广泛应用于资源普查及城市规划等领域。传统激光测高采用能量探测体制，要求强的回波信号，此时高功率激光器搭配较大口径光学接收器必然会带来功耗增加、体积庞大以及可靠性降低等问题。近年，随着光子计数探测器的日趋成熟，由低功率、高重频、窄脉宽脉冲激光器搭配中等口径光学接收器及面阵光子计数探测器所构成的新型光子计数激光测高系统，具有光子级别的响应灵敏度、更高的测量精度以及更长的工作寿命，代表了未来激光测高技术的发展趋势。中科院西安光机所赵惠研究员与盛立志副研究员带领的课题组提出了基于位敏阳极微通道阵列板MCP的光子计数激光测高系统的构想。与雪崩光电二极管APD阵列相比，MCP具有更高的空间分辨且具备强光防护能力，同时先进的位置敏感阳极读取技术使MCP能够以10 5 /s以上的高计数率实现离散光子信号的同步计时与定位，其所带来的稠密点云为更精细地刻画地表三维信息提供了可能。首先，建立了基于位敏阳极MCP的光子计数激光测高系统的数学建模，不仅对典型工况下的影响空间分辨率和高程分辨率的因素进行了分析，而且在对回波信号特征（包括回波光子分布及信噪比等）进行计算评估的基础上，探讨了探测概率与测距误差概率分布之间的相互联系。如图1a和图1b所示，测距误差概率分布类似于高斯分布，过高的探测率会导致探测器响应回波脉冲的前沿；随着探测率增高，误差概率分布的峰值会变高，半高宽变窄，整体越偏右，从而导致系统测距误差变大。（a） (b) 图1不同探测率下误差的概率分布其次，考虑到激光测高时高程信息的突变处往往伴随光影的明显变化，比如森林边界、楼房的阴影以及海洋沿岸等，而由于大部分遥感卫星都搭载了遥感相机，因此提出了一种结合多光谱信息的高程优化方法。可以使用多光谱相机所成的像，通过提取图像边界对高程信息进行优化。如图2所示，给出了优化前后高程模型和光子分布直方图，可以看出优化的效果非常明显，均方根误差有显著下降。图2优化前后的高程模型和直方图该研究内容发表在《光学学报》第38卷第12期，且被选为当期的封面文章，具体文章内容点击查看： http://www.opticsjournal.net/Articles/abstract?aid=OJ181208000079u1x4z7 。依据该文章内容设计的封面图如下：; 786 次阅读|0 个评论

王国燕的科技传播设计助力中科大科研成果荣登nature封面故事: 热度 7 rubyland 2012-9-21 08:12; 中国科大科技传播专业教师王国燕的设计助力一流科研成果荣登《自然》系列杂志封面故事日前，中国科学技术大学科技传播与科技政策系教师王国燕为发表在 2012 年 9 月《自然 - 光子学》的量子惠勒延迟选择实验成果设计了科学原理展示图。该展示图既在该期杂志封面上登载，也正式公布在《自然》的网站上（本期封面网址为： http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n9/covers/index.html ）。该图片揭示了中国科学院量子信息重点实验室的最新成果：首次实现了量子惠勒延迟选择实验，制备出了粒子和波的叠加状态，极大地丰富了人们对玻尔互补原理的理解。该设计图经过设计团队和科研团队的反复沟通，是科学原理和数字艺术融合的结晶，其创意则来源于老子关于万物起源的思想：《道德经》四十二章：“道生一，一生二，二生三，三生万物，万物负阴而抱阳，冲气以为和”。在光学领域研究的发展史上，物理学家玻尔曾使用中国的太极图来阐述光具有波粒二象性，波动性和粒子性这两种属性既对立又互补。故在该科学原理展示的创意上，借用水晶球暗示光的真实本性，用太极影子暗示本次实验探测到的光的特征：以往的实验也是在通过各种测量得到的影子还原真相，而在科学研究中对于真相的追求是永无止境的。今年 5 月份，英国《自然》杂志发布名为《自然出版指数中国 2011 》 (Nature Publishing Index 2011 China) 的报告。 2011 年全球在《自然》系列期刊上发表论文的总量为 3,425 篇，中国在《自然》系列期刊上发表论文的数量为 225 篇（比率为 6.6% ）。报告更提供了大量数据，表明中国在发表论文和科学研究两方面快将成为全球的领导者。中国科学技术大学科研团队在顶级学术杂志发表的论文成果逐年增加，仅 2011 年在《自然》及其子刊上发表的论文数就高达 17 篇，而该校科技传播与科技政策系从事数字媒体研究的师生本着“服务一流大学的一流科研成果”的理念，每次耗费大量的时间及心血，认真地为我校科学家顶级学术杂志上作为封面文章发表的重大科研成果进行科学原理展示图的设计，先后为“八光子量子比特的拓扑保护”、“长城上 16 公里自由空间量子态隐形传输”、“新形式的海森堡不确定原理”等 10 多项重大成果设计了科学原理呈现图，并形成独有的创作团队和富有特色的创作机制。据了解，《自然 - 光子学》每期仅有 4 篇文章标题能登上封面，这 4 篇中仅有 1 篇能够被采纳作为“封面故事”，从而成为当期主打成果，这需要科研团队提供高水平的科学原理设计图，除了要符合封面设计的各种要求与限制，还应具备较高的美学水准，并且要准确表达出科研成果的核心原理。目前在国内完成此项工作并被采纳作为封面的很少。来源于中国科大新闻网 http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201209/t20120903_138918.html nature 封面光的波粒二象性科学原理展示图新形式的海森堡不确定原理 nature 封面图片作者：王国燕 email :gywang@ustc.edu.cn 承接 Science, cell ，nature及系列子刊的封面设计合作任务中国科学技术大学科技传播与科技政策系教师主页王国燕： http://stpc.kankexue.com/teachingStaff/201.html; 9241 次阅读|8 个评论

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