研在合工大 | 礦床、探測與材料領域新進展

目錄

1. 斑巖型銅金礦床研究領域

2. 量子精密測量研究領域

3. 熱電材料與器件研究領域
   

01

斑巖型銅金礦床研究領域

資源與環境工程學院周濤發教授團隊聯合瑞士日內瓦大學、澳大利亞塔斯馬尼亞大學等單位在國際著名期刊《地球與行星科學快報》（Earth and Planetary Science Letters）上發表了最新研究成果，提出了一種全新的“流體驅動自氧化（fluid-driven auto-oxidation）”機制，為解釋斑巖型銅金礦床形成過程中巖漿氧逸度升高提供了新的理論框架。

斑巖型銅金礦床是地球上最重要的金屬礦床類型之一，貢獻了全球約75%的銅和20%的金。由于其在資源供給與經濟發展中的關鍵地位，揭示其成礦機制一直是國際礦床學研究的前沿課題。長期以來，研究者普遍認為斑巖型銅金礦床的形成與巖漿的氧逸度（即巖漿的氧化程度）密切相關。然而，斑巖巖漿在演化過程中為何氧逸度升高、其內在驅動力是什么，一直是學術界關注的焦點問題。

研究團隊以全球典型斑巖型銅金礦床的成礦巖漿巖為研究對象，選取對巖漿氧逸度和含氯流體極為敏感的角閃石作為研究載體，通過系統的礦物化學分析，發現角閃石的Cl、Cu含量、Mg2（氧逸度）在巖漿演化過程中呈現出緊密的耦合關系：當巖漿開始析出富氯流體時，體系的氧逸度顯著升高，同時，早期結晶的硫化物被氧化分解，釋放出其中的銅、金等金屬進入流體相。這一過程表明，巖漿無需外部流體輸入，也可通過自身流體的出溶實現氧化增強，即所謂的“自我氧化”。

同時，這一機制也為解釋不同類型斑巖銅金礦床的成因差異提供了新思路：侵位較深、氧逸度更高的巖漿系統更易形成富銅斑巖型銅金礦床，而侵位較淺、中-高氧逸度的巖漿系統則傾向形成富金斑巖型銅金礦床。此外，本研究還指出，成礦巖漿巖記錄的氧逸度并不代表其原始巖漿的氧化還原狀態。該成果為斑巖型銅金礦床的成因研究及構建更加科學的成礦模式提供了新的視角，完善了斑巖型礦床的理論體系，對深入理解巖漿中金屬元素的運移、氧化還原狀態及熱液成礦過程等具有重要的科學意義和應用價值。

資源與環境工程學院王世偉副教授為該論文的第一作者和通訊作者，合肥工業大學為第一通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、面上項目及國家重點研發計劃的聯合資助。

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02

量子精密測量研究領域

物理學院量子精密測量實驗室陳冰教授團隊在量子精密測量領域連續取得突破性進展，為高精度矢量磁場探測和微米級分辨率磁成像提供了創新解決方案。相關成果發表在國際著名學術期刊《Nano Letters》上。

1.革新微納尺度矢量磁場探測方法

傳統基于NV中心的磁場測量多依賴自旋相干操控（如Ramsey干涉），但在強噪聲環境或短相干時間下，靈敏度和穩定性顯著受限。團隊創新性地將耗散自旋動力學引入磁場測量，提出了一種基于耗散自旋動力學的矢量磁場檢測新方法。該方法利用光泵浦和自發輻射驅動的非相干過程，通過時間分辨熒光信號提取矢量磁場信息，從而在不依賴自旋相干性的情況下實現了磁場強度和方向的高精度定量估計。與依賴相干的傳統方法相比，該方案對自旋退相干噪聲具有天然魯棒性。實驗上成功實現了磁場強度約1G、方向約1°的探測精度，相對誤差僅為0.6%-1.3%，并在強退相干環境下依然保持穩定性能，如圖1。

圖1.(a) 基于耗散動力學的時間分辨熒光測量原理示意；(b) 通過速率方程模型重建磁場方向與強度；(c) 、（d）實驗熒光曲線與理論擬合結果的對比

2.實現微米級分辨率磁成像

團隊針對高分辨率磁場掃描的技術需求，提出了一種無需微納加工的穩健磁探針構建方法。該方法通過結合納米金剛石中氮-空位色心的量子磁敏感性與錐形光纖的高光子效率，實現了1微米空間分辨率的磁場探測。研究采用光學梯度力將納米金剛石精確捕獲并定位于光纖尖端，隨后通過范德華力將其穩定固定，無需復雜的微納制造工藝。這一技術可拓展用于微小磁結構或微電路的磁場測量，充分利用錐形光纖的集成光子增強效應，實現高信噪比的穩定磁傳感，為量子精密測量技術在集成電路與芯片的檢測提供了新的思路，如圖2。

圖2.實現了基于自旋的超高靈敏度和分辨率的量子磁場探測

兩項研究分別解決了NV色心量子傳感從實驗室走向實際應用的不同關鍵技術瓶頸：耗散動力學方法攻克了復雜環境下矢量磁場測量的穩定性難題，而光纖集成磁探針則實現了高空間分辨率與高靈敏度的兼顧。研究表明，新開發的耗散動力學磁檢測方法不僅適用于金剛石NV中心，還可拓展至碳化硅、六方氮化硼等其他自旋缺陷平臺，甚至有望應用于生物兼容的熒光蛋白自旋體系，展現出廣闊的應用前景。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、安徽省科技攻關計劃、省重大科技攻關項目、合肥工業大學中央高校基本科研業務費等項目資助。

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03

熱電材料與器件研究領域

化學與化工學院劉玉課題組與材料科學與工程學院閆健課題組，聯合南昆士蘭大學洪敏和浙江大學溫州研究院張宇打破中溫熱電器件的功率密度紀錄，在PbTe基熱電材料及器件構筑研究中取得重要進展。相關成果發表在國際著名期刊《Advanced Materials》（先進材料）上。

中溫余熱回收要求材料兼具高功率因子PF與低熱導率κ，但電子輸運與聲子傳熱強耦合。盡管PbTe具有可調能帶和低晶格熱導κL，但受限于Na受主固溶度、界面散射不足與高溫雙極熱導κb等瓶頸，其材料優勢難以穩定轉化為器件端的功率密度與效率。因此，亟需在多尺度微結構上實現寬譜聲子散射，并在成分與能帶層面協同優化受主濃度與能谷收斂的策略，使材料性能能夠以可驗證的方式持續映射到器件層面的同步提升。

本研究提出“Na2S協同的微結構-組分共設計”路線：在真空固相熔融-快淬火-熱壓工藝中，Na2S熱分解釋放含硫揮發物，原位誘導納米至微米分級孔結構，同時保留的Na優先進入晶格占位形成受主摻雜，并在晶界處原位生成納米析出相與高密度位錯場。由此構建的“孔-析出相-位錯-細晶”多級散射網絡顯著抑制κL，同時通過L-Σ谷收斂與空穴濃度優化保持超高PF，進而實現電-聲輸運的解耦。

圖1.Na2S協同設計多孔PbTe熱電材料：工藝與機理示意、材料的熱電性能，以及單對偶器件的功率密度及其與文獻的對比

最終，在材料層面，Pb0.97Na0.03Te-1.0%Na2S在823K獲得zTmax~2.2，并在623-823K區間實現zTavg~1.9，體現出在中溫域的高性能；循環與高溫持續運行未見性能衰減，熱穩定性良好。在器件層面，基于該材料制備的單腿器件在ΔT=395K條件下實現13.4%的熱電轉換效率；進一步與N型方鈷礦（Yb0.25Co3.75Fe0.25Sb12）集成的單對偶器件在ΔT=375K條件下實現超高功率密度2.2W·cm-2的輸出。

圖2.硫醇-胺配合物前驅體化學與界面工程協同優化高效SnTe熱電材料

此外，在與PbTe同族且同屬中溫段典型熱電材料SnTe體系中，劉玉課題組提出并驗證了硫醇與胺配合物驅動的可控前驅體化學與分子級界面工程的協同策略，在溶液體系中實現SnTe納米晶的規?；苽?，并揭示了前驅體化學、表面終止及界面結構對能帶調控與聲子散射的關鍵作用機制，從而兼顧載流子輸運與晶格熱導抑制，推動SnTe在中溫熱電區間的綜合性能提升。相關成果發表于國際著名期刊《ACS Nano》。本研究拓展了團隊在近室溫Ag2Se體系的調控思路（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 32199-32208），以分子層級可控化學為出發點貫通合成、界面與輸運，形成普適性策略范式。以上研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費以及安徽省留學人員創新重點項目等經費的支持。

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來源 | 資源與環境工程學院 物理學院 化學與化工學院

編輯 | 羅敏

封圖 | 陶珊珊

責編 | 衛婷婷 徐晨希

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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