研在合工大 | 芯片、材料等領域新進展

目錄

1.光子集成芯片研究

2.新能源鋰硫電池研究

3.能量存儲與光電轉換研究

光子集成芯片研究

儀器科學與光電工程學院夏豪杰教授團隊與皇家墨爾本理工大學、蘭州大學合作，在光子集成芯片領域取得重要進展。相關研究成果發(fā)表于《Nature Communications》。儀器科學與光電工程學院青年教師韓旭、博士研究生姜湖為論文共同第一作者，夏豪杰教授、蘭州大學田永輝教授和皇家墨爾本理工大學任光輝研究員為論文共同通訊作者。

鈮酸鋰晶體因其卓越的電光、聲光和光學非線性特性，被譽為光子學領域的“硅”材料。然而，薄膜鈮酸鋰光子集成芯片受限于材料的中等折射率、固有各向異性以及與標準CMOS工藝不兼容的波導刻蝕技術，集成密度始終難以媲美成熟的硅基光子芯片，這一技術瓶頸嚴重制約了該材料在下一代高密度光子集成系統(tǒng)中的大規(guī)模應用。

針對這一難題，研究團隊采用氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質集成方法，借助氮化硅材料低光學損耗、各向同性和成熟工藝優(yōu)勢，將光子學逆向設計理念成功引入薄膜鈮酸鋰器件研發(fā)。該方法通過智能算法在設定區(qū)域內(nèi)自由“搜尋”最優(yōu)結構，從而打破傳統(tǒng)波導設計的物理直覺限制，實現(xiàn)微觀尺度上對光場的精準操控。憑借這一強大工具，研究團隊成功設計并制備出一系列超緊湊、高性能的基礎光子器件：模式復用/解復用器尺寸僅為19×25μm2，多模波導交叉尺寸低至15×15μm2，多模波導彎曲半徑縮減至30μm。這些器件尺寸均顯著超越了傳統(tǒng)設計方法的極限，有望將薄膜鈮酸鋰無源器件的面內(nèi)集成密度提升一個數(shù)量級，并極大地優(yōu)化光路設計自由度。研究團隊將這些“微納積木”高效組合，在一片僅0.06mm2的微型芯片上集成了超過10個波導元件，構建出復雜的多模光子電路并應用于大容量數(shù)據(jù)通信演示，展現(xiàn)出高密度集成的巨大潛力。

圖1. 逆向設計薄膜鈮酸鋰多模光子電路示意圖

為進一步驗證系統(tǒng)級綜合性能，團隊在同一芯片上集成了高速電光調(diào)制器。實驗結果表明，該集成系統(tǒng)在實現(xiàn)多模信號傳輸?shù)耐瑫r，單個通道的數(shù)據(jù)調(diào)制速率高達120Gbps。這充分證明了該技術方案不僅能實現(xiàn)器件高密度集成，還能保持鈮酸鋰材料本身的高速電光調(diào)制優(yōu)勢，標志著薄膜鈮酸鋰光子集成技術向“更高密度、更小尺寸、更強功能”邁出了關鍵一步，為未來研制超大容量、超高速率的光通信與光計算芯片奠定了核心技術基礎。

圖2. 芯片級高速電光調(diào)制及多模信號傳輸眼圖

近年來，研究團隊持續(xù)開展光子器件及其集成技術的基礎與應用研究，在《Nature Communications》等頂級期刊上發(fā)表論文30余篇，多篇論文當選期刊封面故事，研究成果得到中國科學報、科學網(wǎng)等學術媒體的詳細解讀，相關研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費等項目的支持。

新能源鋰硫電池研究

化學與化工學院張茂峰教授團隊在鋰硫電池化學儲能領域取得新進展，相關成果在材料領域國際知名期刊《Advanced Materials》上發(fā)表。新進教師魏傳亮博士為論文第一作者，張茂峰教授和山東大學熊勝林教授（學校兼職教授）為論文共同通訊作者，合肥工業(yè)大學為論文第一通訊單位。

該研究首次提出了一種精準的“結合水分子化學金屬鋰負極界面調(diào)控策略”。利用一水合乙二胺分子（C2H8N2·H2O）與金屬鋰負極的選擇性反應在金屬鋰負極表面原位構建了均勻、超薄、堅固、縱橫交錯且親鋰的LiOH納米片界面層。由于LiOH層的超低電導率和豐富的離子傳輸通道，鋰沉積發(fā)生在LiOH層下方，從而保護鋰金屬負極減少電解液的腐蝕。堅固（14GPa）且縱橫交錯的LiOH納米片猶如堅固的“鎧甲”能夠阻擋鋰枝晶的不可控生長。具有親鋰性的LiOH層能夠均化電極表面的Li+分布，并降低界面處的Li+擴散勢壘，促進鋰的均勻沉積。在多功能LiOH層的調(diào)節(jié)下，鋰金屬負極的問題得以解決。

當用于鋰硫電池時，C2H8N2·H2O改性的鋰（MLi）有效緩解了可溶性多硫化鋰的侵蝕，鋰金屬負極和電池性能均顯著提高。通過優(yōu)化電解液的成分、界面反應時間、分子反應器的種類以及反應工藝技術，電池的性能可得到進一步提升。其它含結合水的分子可能具有相同的功能。此外，本研究提出的策略還可推廣至其它金屬負極（鈉、鉀、鎂、鋅等）。這些方面目前課題組正在進行系統(tǒng)研究，為鋰金屬負極及其它金屬負極的改進提供了新的啟示。

該研究得到了國家自然科學超越傳統(tǒng)電池體系重大研究計劃、國家自然科學聯(lián)合基金重點項目、安徽省自然科學面上項目、合肥工業(yè)大學青年教師科研創(chuàng)新啟動專項等項目的聯(lián)合資助和合肥工業(yè)大學分析測試中心的大力支持。

近年來，研究團隊圍繞微納尺度多功能新能源材料的設計與可控制備開展基礎應用研究，并將其應用于堿金屬（鋰/鈉/鉀）、鋰硫、硅基等高能量密度新型二次電池體系，實現(xiàn)了能源的高效存儲與利用。近五年在Adv. Mater.、Sci. Bull.等發(fā)表論文50余篇。相關研究成果為國家能源可持續(xù)發(fā)展提供了重要的科技支撐。

能量存儲與光電轉換研究

材料科學與工程學院童國慶教授、蔣陽教授團隊在鈉離子電池高性能負極材料研發(fā)領域取得重要進展，相關研究成果發(fā)表于材料領域期刊《Energy Storage Materials》上。文章第一作者為博士研究生湯召宇，通訊作者為童國慶教授和蔣陽教授。

鈉離子電池由于其資源豐富、安全性高且可在低溫下運行的優(yōu)勢而在儲能和特殊動力領域的應用備受關注。然而，常規(guī)使用的鈉離子電池負極材料存在容量低、體積膨脹嚴重、循環(huán)穩(wěn)定性差等問題，制約了其性能提升。合金型鉍基材料因理論比容量高、反應動力學快等優(yōu)勢，成為快充電鈉離子電池負極材料的重要候選，但其在嵌鈉過程中高達252%的理論體積膨脹會導致電極開裂粉化，嚴重影響電池壽命。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出了“合金化調(diào)控異質結界面”的創(chuàng)新策略，通過兩步水熱-碳化還原法成功構建了BiSb/BiSbS3微米棒簇狀異質結負極材料。密度泛函理論（DFT）計算表明，銻（Sb）與鉍（Bi）形成合金后，有效調(diào)控了異質結的表面功函數(shù)，增強了界面內(nèi)建電場，實現(xiàn)了鈉離子吸附與擴散動力學的精準平衡。實驗結果顯示，該BiSb/BiSbS3電極表現(xiàn)出卓越的電化學性能：在20 A·g-1的超高電流密度下，可逆比容量仍達520.9mAh·g-1，且首次庫侖效率高達96.64%。XPS深度剖析和TOF-SIMS證實了SEI層呈現(xiàn)“外層有機-內(nèi)層無機”的穩(wěn)定結構，NaF和Na2O共同構建了一個具有高機械強度、快速Na+傳導“電極外衣”，有效的抑制了電極的體積膨脹，循環(huán)500次后體積膨脹率僅為理論值的23%。將該負極與Na3V2(PO4)3正極組裝成全電池后，在15C的超高倍率下比容量達465.5mAh·g-1，能量密度高達221.1Wh·kg-1，展現(xiàn)出優(yōu)異的實際應用潛力。

圖1. BiSb/BiSbS3異質結材料的合成與表征

圖2.對BiSb/BiSbS3異質結材料的密度泛函理論計算

此外，童國慶教授聯(lián)合上海交通大學、日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）等單位，在鈣鈦礦太陽能電池光電轉換領域取得重要突破。相關研究成果發(fā)表于學術期刊《Nature Communications》上。童國慶教授、上海交通大學戚亞冰教授、日本OIST Ono博士為共同通訊作者。

上述工作得到了國家自然科學基金、安徽省重點研發(fā)計劃、安徽省科技攻堅計劃、安徽省自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費以及合肥工業(yè)大學黃山學者優(yōu)秀青年人才計劃等項目的資助，同時也得到了合肥照陽光能科技有限公司、上海交通大學溥淵未來技術學院和張江高研院的支持。

來源 | 儀器科學與光電工程學院 化學與化工學院

材料科學與工程學院

圖片 | 年子涵

編輯 | 陳雨陽 劉爽

責編 | 衛(wèi)婷婷

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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