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(zhuǎn)換研究

光子集成芯片研究

儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院夏豪杰教授團隊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準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。

針對這一難題，研究團隊采用氮化硅-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，將光子學(xué)逆向設(shè)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(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(shè)計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(shè)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(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(jié)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(shù)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(shù)向“更高密度、更小尺寸、更強功能”邁出了關(guān)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(shù)基礎(chǔ)。

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(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)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(dāng)選期刊封面故事，研究成果得到中國科學(xué)報、科學(xué)網(wǎng)等學(xué)術(shù)媒體的詳細解讀，相關(guān)研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目的支持。

新能源鋰硫電池研究

化學(xué)與化工學(xué)院張茂峰教授團隊在鋰硫電池化學(xué)儲能領(lǐng)域取得新進展，相關(guān)成果在材料領(lǐng)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(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的“結(jié)合水分子化學(xué)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(yīng)在金屬鋰負極表面原位構(gòu)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(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(dāng)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(yīng)時間、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(xué)超越傳統(tǒng)電池體系重大研究計劃、國家自然科學(xué)聯(lián)合基金重點項目、安徽省自然科學(xué)面上項目、合肥工業(yè)大學(xué)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(xué)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(shè)計與可控制備開展基礎(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(guān)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(zhuǎn)換研究

材料科學(xué)與工程學(xué)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(lǐng)域取得重要進展，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(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(yīng)動力學(xué)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(dǎo)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(zhì)結(jié)界面”的創(chuàng)新策略，通過兩步水熱-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(zhì)結(jié)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(xué)的精準平衡。實驗結(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(jié)構(gòu)，NaF和Na2O共同構(gòu)建了一個具有高機械強度、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(yīng)用潛力。

圖1. BiSb/BiSbS3異質(zhì)結(jié)材料的合成與表征

圖2.對BiSb/BiSbS3異質(zhì)結(jié)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(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。

上述工作得到了國家自然科學(xué)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(xué)基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費以及合肥工業(yè)大學(xué)黃山學(xué)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(xué)溥淵未來技術(shù)學(xué)院和張江高研院的支持。

來源 | 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 劉爽

責(zé)編 | 衛(wèi)婷婷

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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