研在合工大 | 芯片、材料等領(lǐng)域新進(jìn)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(chǔ)與光電轉(zhuǎn)換研究

光子集成芯片研究

儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院夏豪杰教授團(tuán)隊(duì)與皇家墨爾本理工大學(xué)、蘭州大學(xué)合作，在光子集成芯片領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于《Nature Communications》。儀器科學(xué)與光電工程學(xué)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(xué)田永輝教授和皇家墨爾本理工大學(xué)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(xué)非線性特性，被譽(yù)為光子學(xué)領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容的波導(dǎo)刻蝕技術(shù)，集成密度始終難以媲美成熟的硅基光子芯片，這一技術(shù)瓶頸嚴(yán)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(yīng)用。

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)采用氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成方法，借助氮化硅材料低光學(xué)損耗、各向同性和成熟工藝優(yōu)勢(shì)，將光子學(xué)逆向設(shè)計(jì)理念成功引入薄膜鈮酸鋰器件研發(fā)。該方法通過(guò)智能算法在設(shè)定區(qū)域內(nèi)自由“搜尋”最優(yōu)結(jié)構(gòu)，從而打破傳統(tǒng)波導(dǎo)設(shè)計(jì)的物理直覺(jué)限制，實(shí)現(xiàn)微觀尺度上對(duì)光場(chǎng)的精準(zhǔn)操控。憑借這一強(qiáng)大工具，研究團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)并制備出一系列超緊湊、高性能的基礎(chǔ)光子器件：模式復(fù)用/解復(fù)用器尺寸僅為19×25μm2，多模波導(dǎo)交叉尺寸低至15×15μm2，多模波導(dǎo)彎曲半徑縮減至30μm。這些器件尺寸均顯著超越了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的極限，有望將薄膜鈮酸鋰無(wú)源器件的面內(nèi)集成密度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，并極大地優(yōu)化光路設(shè)計(jì)自由度。研究團(tuán)隊(duì)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(guò)10個(gè)波導(dǎo)元件，構(gòu)建出復(fù)雜的多模光子電路并應(yīng)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(shè)計(jì)薄膜鈮酸鋰多模光子電路示意圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)級(jí)綜合性能，團(tuán)隊(duì)在同一芯片上集成了高速電光調(diào)制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該集成系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)多模信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，單個(gè)通道的數(shù)據(jù)調(diào)制速率高達(dá)120Gbps。這充分證明了該技術(shù)方案不僅能實(shí)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(shì)，標(biāo)志著薄膜鈮酸鋰光子集成技術(shù)向“更高密度、更小尺寸、更強(qiáng)功能”邁出了關(guān)鍵一步，為未來(lái)研制超大容量、超高速率的光通信與光計(jì)算芯片奠定了核心技術(shù)基礎(chǔ)。

圖2. 芯片級(jí)高速電光調(diào)制及多模信號(hào)傳輸眼圖

近年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)開(kāi)展光子器件及其集成技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，在《Nature Communications》等頂級(jí)期刊上發(fā)表論文30余篇，多篇論文當(dāng)選期刊封面故事，研究成果得到中國(guó)科學(xué)報(bào)、科學(xué)網(wǎng)等學(xué)術(shù)媒體的詳細(xì)解讀，相關(guān)研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的支持。

新能源鋰硫電池研究

化學(xué)與化工學(xué)院張茂峰教授團(tuán)隊(duì)在鋰硫電池化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果在材料領(lǐng)域國(guó)際知名期刊《Advanced Materials》上發(fā)表。新進(jìn)教師魏傳亮博士為論文第一作者，張茂峰教授和山東大學(xué)熊勝林教授（學(xué)校兼職教授）為論文共同通訊作者，合肥工業(yè)大學(xué)為論文第一通訊單位。

該研究首次提出了一種精準(zhǔn)的“結(jié)合水分子化學(xué)金屬鋰負(fù)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(fù)極的選擇性反應(yīng)在金屬鋰負(fù)極表面原位構(gòu)建了均勻、超薄、堅(jiān)固、縱橫交錯(cuò)且親鋰的LiOH納米片界面層。由于LiOH層的超低電導(dǎo)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(hù)鋰金屬負(fù)極減少電解液的腐蝕。堅(jiān)固（14GPa）且縱橫交錯(cuò)的LiOH納米片猶如堅(jiān)固的“鎧甲”能夠阻擋鋰枝晶的不可控生長(zhǎng)。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(kuò)散勢(shì)壘，促進(jìn)鋰的均勻沉積。在多功能LiOH層的調(diào)節(jié)下，鋰金屬負(fù)極的問(wèn)題得以解決。

當(dāng)用于鋰硫電池時(shí)，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(fù)極和電池性能均顯著提高。通過(guò)優(yōu)化電解液的成分、界面反應(yīng)時(shí)間、分子反應(yīng)器的種類以及反應(yīng)工藝技術(shù)，電池的性能可得到進(jìn)一步提升。其它含結(jié)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(fù)極（鈉、鉀、鎂、鋅等）。這些方面目前課題組正在進(jìn)行系統(tǒng)研究，為鋰金屬負(fù)極及其它金屬負(fù)極的改進(jìn)提供了新的啟示。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)超越傳統(tǒng)電池體系重大研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、安徽省自然科學(xué)面上項(xiàng)目、合肥工業(yè)大學(xué)青年教師科研創(chuàng)新啟動(dòng)專項(xiàng)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助和合肥工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心的大力支持。

近年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)圍繞微納尺度多功能新能源材料的設(shè)計(jì)與可控制備開(kāi)展基礎(chǔ)應(yīng)用研究，并將其應(yīng)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(shí)現(xiàn)了能源的高效存儲(chǔ)與利用。近五年在Adv. Mater.、Sci. Bull.等發(fā)表論文50余篇。相關(guān)研究成果為國(guó)家能源可持續(xù)發(fā)展提供了重要的科技支撐。

能量存儲(chǔ)與光電轉(zhuǎn)換研究

材料科學(xué)與工程學(xué)院童國(guó)慶教授、蔣陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)在鈉離子電池高性能負(fù)極材料研發(fā)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于材料領(lǐng)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(guó)慶教授和蔣陽(yáng)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(yùn)行的優(yōu)勢(shì)而在儲(chǔ)能和特殊動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。然而，常規(guī)使用的鈉離子電池負(fù)極材料存在容量低、體積膨脹嚴(yán)重、循環(huán)穩(wěn)定性差等問(wèn)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(yīng)動(dòng)力學(xué)快等優(yōu)勢(shì)，成為快充電鈉離子電池負(fù)極材料的重要候選，但其在嵌鈉過(guò)程中高達(dá)252%的理論體積膨脹會(huì)導(dǎo)致電極開(kāi)裂粉化，嚴(yán)重影響電池壽命。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了“合金化調(diào)控異質(zhì)結(jié)界面”的創(chuàng)新策略，通過(guò)兩步水熱-碳化還原法成功構(gòu)建了BiSb/BiSbS3微米棒簇狀異質(zhì)結(jié)負(fù)極材料。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，銻（Sb）與鉍（Bi）形成合金后，有效調(diào)控了異質(zhì)結(jié)的表面功函數(shù)，增強(qiáng)了界面內(nèi)建電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了鈉離子吸附與擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的精準(zhǔn)平衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該BiSb/BiSbS3電極表現(xiàn)出卓越的電化學(xué)性能：在20 A·g-1的超高電流密度下，可逆比容量仍達(dá)520.9mAh·g-1，且首次庫(kù)侖效率高達(dá)96.64%。XPS深度剖析和TOF-SIMS證實(shí)了SEI層呈現(xiàn)“外層有機(jī)-內(nèi)層無(wú)機(jī)”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，NaF和Na2O共同構(gòu)建了一個(gè)具有高機(jī)械強(qiáng)度、快速Na+傳導(dǎo)“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(fù)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(dá)465.5mAh·g-1，能量密度高達(dá)221.1Wh·kg-1，展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖1. BiSb/BiSbS3異質(zhì)結(jié)材料的合成與表征

圖2.對(duì)BiSb/BiSbS3異質(zhì)結(jié)材料的密度泛函理論計(jì)算

此外，童國(guó)慶教授聯(lián)合上海交通大學(xué)、日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）等單位，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)研究成果發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。童國(guó)慶教授、上海交通大學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省科技攻堅(jiān)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)以及合肥工業(yè)大學(xué)黃山學(xué)者優(yōu)秀青年人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，同時(shí)也得到了合肥照陽(yáng)光能科技有限公司、上海交通大學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院和張江高研院的支持。

來(lái)源 | 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院

材料科學(xué)與工程學(xué)院

圖片 | 年子涵

編輯 | 陳雨陽(yáng) 劉爽

責(zé)編 | 衛(wèi)婷婷

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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