1.清華大學(xué)王曉紅團隊在高頻超級電容器研究方面取得新進展

2.中國科學(xué)院反鐵磁半金屬弱局域態(tài)非平衡太赫茲探測機理研究取得進展

3.上海交大梁正團隊高電壓快充鋰離子電池研究獲新進展

4.新突破！中國科學(xué)院研究的“強磁心臟”實現(xiàn)國產(chǎn)化

5.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所衛(wèi)星激光通信用高精度MEMS快反鏡取得進展

1.清華大學(xué)王曉紅團隊在高頻超級電容器研究方面取得新進展

隨著人工智能和高性能計算的快速發(fā)展，算力與電力需求呈指數(shù)級增長，這對電源管理芯片的供電密度和效率提出了雙重挑戰(zhàn)。在此背景下，電源管理芯片正朝無源元件片上集成化方向發(fā)展，以實現(xiàn)高密度立體三維供電。然而，傳統(tǒng)硅基無源元件的性能密度已接近物理極限，難以滿足需求。英特爾創(chuàng)始人、“摩爾定律”提出者戈登·摩爾博士指出（Proceedings of the IEEE, 1998, 82）：大容量電容和電感的缺失是集成電子學(xué)發(fā)展的根本性瓶頸。近年來發(fā)展的微型電化學(xué)超級電容器雖然展現(xiàn)出高電容密度特性，然而其本真靜態(tài)特性難以應(yīng)用于交流高頻信號為主的集成電路。

近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院王曉紅團隊在針對高頻超級電容器動態(tài)響應(yīng)極限的研究中取得突破，該研究首次通過實驗定量測量了超級電容器動態(tài)響應(yīng)頻率的上限。研究團隊采用微納加工技術(shù)構(gòu)建了無孔隙結(jié)構(gòu)的絕對平面理想電極，并通過寄生電容屏蔽層結(jié)構(gòu)及外部鎖相環(huán)放大等方法消除干擾，從而首次精確測定了超級電容器動態(tài)響應(yīng)頻率的上界。在此基礎(chǔ)上，團隊創(chuàng)新性提出“介電-電化學(xué)”非對稱電容器概念——該器件在低頻段以電化學(xué)效應(yīng)為主，在高頻段則以介電效應(yīng)為主，實現(xiàn)了頻率響應(yīng)和電容密度的雙重突破?；谠摳拍钪苽涞奈⑿统夒娙萜餍酒卣黝l率突破1MHz，較商用超級電容器高出六個數(shù)量級，覆蓋主流電源電路工作頻段。

圖1. 超越雙電層動態(tài)極限的高頻超級電容器

此前，團隊成功克服了電化學(xué)器件與半導(dǎo)體器件工藝不兼容的難題，提出跨能域異質(zhì)集成理論與三維架構(gòu)，建立了CMOS兼容的晶圓級全流程加工體系，并研制出世界首枚集成電化學(xué)電源整流濾波芯片。相關(guān)研究成果以“電化學(xué)與半導(dǎo)體器件晶圓級異質(zhì)集成構(gòu)建單片集成芯片”（Wafer-level heterogeneous integration of electrochemical devices and semiconductors for a monolithic chip）為題發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。

圖2. 電化學(xué)與半導(dǎo)體器件晶圓級異質(zhì)集成構(gòu)建單片集成芯片

此次的研究成果以“越雙電層動態(tài)極限的高頻超級電容器”（High-frequency supercapacitors surpassing dynamic limit of electrical double layer effects）為題，于4月18日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

清華大學(xué)集成電路學(xué)院2020級碩士生李張善昊、2021級博士生許明豪為論文共同第一作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授王曉紅與湖南大學(xué)半導(dǎo)體學(xué)院副教授徐思行為論文共同通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金重點項目、面上項目等的資助。

2.中國科學(xué)院反鐵磁半金屬弱局域態(tài)非平衡太赫茲探測機理研究取得進展

近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達、陳效雙、陸衛(wèi)研究團隊聯(lián)合中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張凱團隊，在反鐵磁半金屬弱局域增強的太赫茲探測方面取得進展。

研究團隊利用NbFeTe2中的載流子在由反鐵磁磁矩與電子自旋之間相互作用產(chǎn)生的局域態(tài)之間的跳變行為，設(shè)計了一系列針對不同應(yīng)用場景的太赫茲探測器。實驗結(jié)果表明，在載流子跳變溫區(qū)內(nèi)（77~200 K），器件響應(yīng)率隨溫度降低呈現(xiàn)非線性增加趨勢。當非對稱天線為材料提供足夠的塞貝克電勢后，載流子可以越過局域態(tài)勢壘重新排序，實現(xiàn)室溫太赫茲性能的突破，為針對不同應(yīng)用場景下的寬溫區(qū)高性能太赫茲探測器設(shè)計提供了新視角。此外，NbFeTe2/石墨烯異質(zhì)結(jié)的自驅(qū)動性能通過內(nèi)建電場得以優(yōu)化，達到了220 V W-1的峰值靈敏度和小于20 pW Hz-1/2的噪聲等效功率。

該研究成果揭示了反鐵磁半金屬在大面積、高速成像應(yīng)用中的潛力。

相關(guān)研究成果以Antiferromagnetic semimetal terahertz photodetectors enhanced through weak localization為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature?Communications）上。研究工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等的支持。

局域化物理模型以及器件在不同載流子輸運模式下的太赫茲響應(yīng)

3.上海交大梁正團隊高電壓快充鋰離子電池研究獲新進展

為滿足電動汽車對高續(xù)航里程的需求，開發(fā)能量密度突破300 Wh kg-1的鋰離子電池（LIBs）已成為行業(yè)核心目標。基于高鎳三元正極材料（LiNixCoyMn1?x?yO?，x≥0.8）并結(jié)合高壓充放電策略（截止電壓>4.3 V），可通過提升比容量與工作電壓實現(xiàn)能量密度躍升。然而，高鎳正極在高電壓下界面穩(wěn)定性差，易引發(fā)電解液分解、鋁集流體腐蝕、過渡金屬溶出及不可逆相變等問題，導(dǎo)致正極阻抗升高和容量快速衰減。因此，構(gòu)建穩(wěn)定的正極電解液界面膜（CEI）和抗氧化的強溶劑化結(jié)構(gòu)是提升高壓LIBs循環(huán)性能的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究通過調(diào)控電解液（如高濃度電解液HCEs）可增強氧化穩(wěn)定性，但其強溶劑化結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鋰離子脫溶劑化能壘高，界面阻抗大，影響動力學(xué)性能；弱溶劑化電解液（WSEs）雖能降低脫溶劑化能壘并形成無機SEI，但自由溶劑易氧化分解，導(dǎo)致CEI不穩(wěn)定。目前電解液體系難以同時滿足高電壓穩(wěn)定性和快速鋰離子傳輸?shù)男枨?，成為高壓高能量密度電池發(fā)展的瓶頸。

鑒于此，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心梁正課題組設(shè)計了一種由雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）與丙烯磺酸內(nèi)酯（PES）組成的磺酸鹽基低共熔電解液（LiFSI-2.7PES），顯著提升了石墨||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）電池的高壓循環(huán)與快充性能。通過解析磺酸鹽基溶劑化行為與正極電解質(zhì)界面（CEI）化學(xué)特性的關(guān)聯(lián)機制，發(fā)現(xiàn)高電子云密度的磺酸基團（?O?S=O）優(yōu)先參與氧化分解，快速形成富含Li2SO4/LiF的混合CEI。該CEI可有效抑制高壓下電解液的持續(xù)副反應(yīng)，同時其高離子電導(dǎo)特性與低界面阻抗彌補了強溶劑化結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的鋰離子傳輸動力學(xué)限制。實驗結(jié)果表明，采用LiFSI-2.7PES的電池在4.7 V高截止電壓下可以實現(xiàn)450次穩(wěn)定循環(huán)，并具備5 C倍率快充能力，性能優(yōu)于現(xiàn)有電解液體系。進一步對5 Ah級石墨||NCM811軟包電池的評估驗證了該電解液在實際應(yīng)用中的潛力，為高壓高能量密度鋰離子電池的電解液設(shè)計提供了新策略。相關(guān)研究成果以“Fast-formed hybrid interphase enables enhanced kinetics for high-voltage and fast-charging lithium-ion batteries”為題發(fā)表于期刊CCS Chemistry上。本文第一作者為上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心博士研究生董栩冰。論文鏈接：https://doi.org/10.31635/ccschem.025.202505669 作者： 梁正課題組 供稿單位： 變革性分子前沿科學(xué)中心

4.新突破！中國科學(xué)院研究的“強磁心臟”實現(xiàn)國產(chǎn)化

超導(dǎo)磁體磁場強、能耗低，是強磁科學(xué)研究中不可或缺的利器，同時也是科學(xué)新發(fā)現(xiàn)的助推器。超高場超導(dǎo)磁體在諸多重要領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

中國科學(xué)院電工研究所（以下簡稱“電工所”）王秋良院士團隊成功研制出大口徑高場通用超導(dǎo)磁體。該磁體最高磁場強度14.0特斯拉（T）、內(nèi)孔直徑164毫米，標志著我國在大口徑高場通用超導(dǎo)磁體設(shè)計與建造技術(shù)水平方面，邁上了新臺階。

▲大口徑高場通用超導(dǎo)磁體

大口徑超導(dǎo)磁體研制“絕非易事”

大口徑超導(dǎo)磁體中心區(qū)域，不僅可以插入更高磁場強度的內(nèi)插線圈，產(chǎn)生極高磁場，為探索新物質(zhì)提供基礎(chǔ)強磁場，還可以在較大孔徑內(nèi)，放入金屬冶煉設(shè)備，用于強磁場下的新材料制備。

將超導(dǎo)材料制備成超導(dǎo)磁體，是超導(dǎo)材料的重要應(yīng)用之一。超導(dǎo)磁體需要在低溫環(huán)境中運行，會使超導(dǎo)材料承受復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。例如，超導(dǎo)體從室溫降到4.2K（?268.95攝氏度）過程中，會產(chǎn)生冷收縮力，不同材料組分之間由于膨脹系數(shù)不同，會產(chǎn)生界面力；并且通電過程中，大電流還會在導(dǎo)體上產(chǎn)生巨大的洛倫茲力。這些應(yīng)力狀態(tài)都會影響超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定運行，因此研制大口徑高場超導(dǎo)磁體絕非易事。

造出“不怕冷”的超導(dǎo)磁體

為了克服上述困難，團隊采用鈮鈦和鈮三錫超導(dǎo)體組合。鈮鈦和鈮三錫都是制備超導(dǎo)磁體最常用的低溫超導(dǎo)材料。

鈮鈦超導(dǎo)體是一種超導(dǎo)合金材料，鈮三錫超導(dǎo)體是一種具有陶瓷屬性的脆性金屬間化合物，用手輕輕一彎就會損壞。

更重要的是，它們具有不同的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、臨界磁場和臨界電流。

因此，需要分別采用不同的處理方式保護兩種超導(dǎo)體，尤其對脆弱的鈮三錫超導(dǎo)體進行特殊的防護。

在研制過程中，科研團隊先后解決了大口徑高場磁體高應(yīng)力調(diào)控設(shè)計、密繞高場磁體高精度制造、低電阻超導(dǎo)接頭等關(guān)鍵技術(shù)問題，掌握了此類通用超導(dǎo)磁體的設(shè)計和制造等成套技術(shù)，并且具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

▲超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)測試，磁體達到預(yù)期技術(shù)目標，并且運行穩(wěn)定。

超導(dǎo)磁體在高端科學(xué)儀器、先進醫(yī)療裝備、可控聚變能源、新材料制備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

大口徑高場通用超導(dǎo)磁體技術(shù)的成功突破，將有助于我國重要領(lǐng)域制作技術(shù)水平提升，并為我國超導(dǎo)磁體產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

5.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所衛(wèi)星激光通信用高精度MEMS快反鏡取得進展

工作簡介：

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感器技術(shù)全國重點實驗室在集成角度傳感器的高性能MEMS快反鏡研制方面取得重要進展。制備的MEMS快反鏡鏡面尺寸大，封裝體積小，并具備良好的線性度、角分辨率、響應(yīng)速度、重復(fù)定位精度和鏡面動態(tài)形變，同時集成了高靈敏度角度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的激光光束閉環(huán)控制，在激光衛(wèi)星通信方面具有巨大的應(yīng)用潛力。近日，相關(guān)成果以“A high-performance 10 mm diameter MEMS fast steering mirror with integrated piezoresistive angle sensors for laser inter-satellite links”為題發(fā)表于微系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域一區(qū)學(xué)術(shù)期刊《Microsystems & Nanoengineering》，論文的第一作者為博士研究生薛文立，通信作者為武震宇研究員和王櫟皓助理研究員。

研究背景：

快反鏡在衛(wèi)星激光通信中承擔著光束的指向、捕獲和跟蹤等重要作用。為了滿足激光星間鏈路對高精度光束控制的需求，快反鏡需要具備高指向精度、高工作帶寬和高光學(xué)質(zhì)量等一系列極限性能指標。針對傳統(tǒng)機械快反鏡體積大、功耗高、存在遲滯，以及原有MEMS快反鏡鏡面?。?-6 mm）、帶寬低（<1 kHz）、無集成角度傳感器等問題，研究團隊在近五年間設(shè)計并開發(fā)了一系列適用于航空航天苛刻需求的高精度、高可靠MEMS快速反射鏡。

研究亮點：

本工作中，研究團隊為解決現(xiàn)有產(chǎn)品鏡面尺寸小、動態(tài)帶寬不足等問題，開發(fā)了一種10 mm大口徑壓電驅(qū)動MEMS快反鏡（圖1）。該設(shè)計采用雙層異構(gòu)集成技術(shù)以實現(xiàn)更高的填充因子和諧振頻率。采用晶圓級鍵合工藝實現(xiàn)快反鏡的高均一制備，器件具備高線性度（99.95%）、超高角度分辨率（0.3 μrad）、快速階躍響應(yīng)（0.41 ms）以及高重復(fù)定位精度（圖2）。

圖1 封裝后的MEMS快反鏡

圖2 MEMS快反鏡測試結(jié)果：a雙軸轉(zhuǎn)角線性度；b角分辨率；c二維掃描重復(fù)定位精度；d雙軸階躍響應(yīng)

另外，該MEMS快反鏡集成了硅壓阻應(yīng)變原理的片上角度傳感器，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，創(chuàng)新性地引入力學(xué)定向結(jié)構(gòu)形成應(yīng)力集中區(qū)域（SCR），將角度傳感器靈敏度從3.3 mV/(V·mrad)提升至5.4 mV/(V·mrad)，增幅達63%，顯著優(yōu)化了光束控制的精確性。

圖3壓阻角度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖：a壓阻傳感器原理與硅晶體取向；b顯微鏡下SCR結(jié)構(gòu)圖像；c驅(qū)動電壓為90 VDC時壓阻位置正向應(yīng)力比較；

在性能表征方面，首次針對10 mm大口徑鏡面動態(tài)變形進行表征（圖4），結(jié)合理論計算、有限元仿真和實驗測試，證明在準靜態(tài)驅(qū)動（500 Hz@±2 mrad）下最大動態(tài)表面形變僅2 nm，滿足遠距離衛(wèi)星激光通信對鏡面面型的嚴苛要求。

圖4 鏡面動態(tài)形變的表征

總結(jié)與展望：

綜上所述，本研究開發(fā)的一種高性能的10 mm大口徑壓電MEMS 快反鏡滿足激光星間鏈路對高精度、快速響應(yīng)與穩(wěn)定性的需求，為衛(wèi)星通信終端提供小型化高性能解決方案。與傳統(tǒng)機械快反鏡及現(xiàn)有商用MEMS快反鏡相比，該器件優(yōu)勢顯著，在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。未來，研究團隊將繼續(xù)針對鏡面尺寸、閉環(huán)控制以及器件可靠性進行優(yōu)化研究。