1.中國(guó)科學(xué)院在氮化鎵基無(wú)源太赫茲相控陣機(jī)制研究方面取得進(jìn)展；

2.IEEE頂級(jí)期刊JSSC接收華中科技大學(xué)童喬凌、閔閏團(tuán)隊(duì)多段式有源門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片研究成果；

3.中山大學(xué)在極性與分子構(gòu)象耦合關(guān)系的納尺度表征新方法上取得進(jìn)展；

4.上海交大李政道研究所嚴(yán)智明課題組在表面非周期超結(jié)構(gòu)研究中取得新進(jìn)展

1.中國(guó)科學(xué)院在氮化鎵基無(wú)源太赫茲相控陣機(jī)制研究方面取得進(jìn)展

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，太赫茲波(0.1–10 THz)因其超寬帶、高定向性和高分辨率優(yōu)勢(shì)，成為6G通信的重要頻譜資源。然而，頻率升高帶來(lái)的路徑損耗加劇和信號(hào)源輸出功率降低問(wèn)題，使得系統(tǒng)對(duì)高精度、低損耗、大視場(chǎng)的波束控制器件提出嚴(yán)苛要求。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所秦華團(tuán)隊(duì)提出并研制了一種基于氮化鎵肖特基二極管(GaN SBD)的無(wú)源太赫茲相控陣芯片原型，工作頻率為0.32 THz，陣列規(guī)模為32 ×?25。該芯片利用GaN SBD的高速變?nèi)萏匦詫?shí)現(xiàn)陣列天線(xiàn)諧振模式的動(dòng)態(tài)調(diào)控，支持模擬和數(shù)字調(diào)相兩種工作模式。在0–210°的連續(xù)相位調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，平均插入損耗為5 dB，調(diào)制速率超過(guò)200 MHz，平均相位調(diào)節(jié)誤差為1.8°。針對(duì)現(xiàn)有GaN晶圓材料的非均勻性和SBD工藝偏差導(dǎo)致陣元間相位調(diào)節(jié)存在偏差的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了基于差分進(jìn)化的控制策略，主瓣增益提升了4.2 dB，并且有效抑制旁瓣水平。在±45°掃描范圍內(nèi)，波束增益為18 dBi?；谠撔酒?，團(tuán)隊(duì)也演示驗(yàn)證了目標(biāo)的跟蹤定位和信號(hào)的定向傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1. ?基于GaN SBD的無(wú)源太赫茲相控陣芯片

圖2. ?(a)芯片的相位調(diào)制精度測(cè)量結(jié)果，(b)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

研究結(jié)果以 A GaN Schottky Barrier Diode-Based Terahertz Metasurface for High-Precision Phase Control and High-Speed Beam Scanning為題發(fā)表在?Advanced Materials?。論文第一作者為博士研究生于潤(rùn)，通訊作者為秦華研究員。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃、蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助支持。

蘇州納米所秦華團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專(zhuān)注于氮化鎵基太赫茲器件研究，此前團(tuán)隊(duì)已成功研制出多頻段太赫茲單元和陣列探測(cè)器模塊，本項(xiàng)研究工作為6G“通感一體化”的氮化鎵基太赫茲器件解決方案提供了新思路。

2.IEEE頂級(jí)期刊JSSC接收華中科技大學(xué)童喬凌、閔閏團(tuán)隊(duì)多段式有源門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片研究成果

近日，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院童喬凌教授和閔閏副教授團(tuán)隊(duì)在功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的最新研究成果以“An Adaptive Three-stage GaN Gate Driver with Peak Miller Plateau Voltage Tracking and Voltage Tailing Suppression For 36.4% Switching Loss Reduction”為題，被集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)接收。

行業(yè)痛點(diǎn)

隨著數(shù)據(jù)中心、AI服務(wù)器及便攜設(shè)備對(duì)電源功率密度要求日益提高，GaN功率器件因開(kāi)關(guān)速度快、體積小等優(yōu)勢(shì)成為高頻電源核心。然而，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案存在兩大瓶頸：

1. 米勒平臺(tái)階段啟動(dòng)延遲：初始電壓變化率（dv/dt）過(guò)低，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加；

2. 電壓拖尾效應(yīng)：開(kāi)關(guān)末期dv/dt驟降，延長(zhǎng)電壓電流重疊時(shí)間。

核心創(chuàng)新

針對(duì)GaN功率器件驅(qū)動(dòng)瓶頸，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款自適應(yīng)三段式有源門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片，為高密度電源系統(tǒng)能效提升提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖1 驅(qū)動(dòng)芯片架構(gòu)

(a) (b)

圖2 (a)芯片照片 (b)雙脈沖測(cè)試結(jié)果

該芯片采用了三大創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

1. 三段動(dòng)態(tài)電流控制：在米勒平臺(tái)期智能切換驅(qū)動(dòng)電流，使dv/dt近乎恒定；

2. 米勒平臺(tái)跨周期追蹤技術(shù)：實(shí)時(shí)追蹤米勒平臺(tái)峰值電壓，動(dòng)態(tài)優(yōu)化電流切換點(diǎn)，解決負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的啟動(dòng)延遲問(wèn)題（降低慢啟動(dòng)損耗46.1%）；

3. 快速拖尾抑制技術(shù)：基于柵極電壓突降檢測(cè)電壓拖尾起始點(diǎn)，精準(zhǔn)觸發(fā)大電流加速關(guān)斷（降低拖尾損耗88.7%）。

芯片基于0.18μm BCD工藝制造。在400V/15A嚴(yán)苛測(cè)試中，dv/dt峰值在全開(kāi)關(guān)過(guò)程中保持在45V

s，單次開(kāi)關(guān)損耗從114.8μJ降至73.0μJ。這是已報(bào)道GaN驅(qū)動(dòng)芯片的最高能效紀(jì)錄。

團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

集成電路學(xué)院童喬凌教授和閔閏副教授主要從事高功率密度電源專(zhuān)用芯片技術(shù)研究，共主持國(guó)家級(jí)縱向項(xiàng)目11項(xiàng)（國(guó)家自然科學(xué)基金、民用航天項(xiàng)目、工信部項(xiàng)目、01專(zhuān)項(xiàng)課題、總裝預(yù)研項(xiàng)目），主持企業(yè)橫向項(xiàng)目40余項(xiàng)。近五年發(fā)表中科院一區(qū)期刊論文20余篇（JSSC、TPEL、TIE、TII等）。設(shè)計(jì)的SiC驅(qū)動(dòng)與脈沖電源被用于“天琴一號(hào)”型號(hào)任務(wù)，助力我國(guó)掌握“無(wú)拖曳控制”(世界唯二)。設(shè)計(jì)的車(chē)規(guī)級(jí)高邊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)芯片先后通過(guò)AEC Q-100可靠性測(cè)試和冬季路測(cè)，在東風(fēng)汽車(chē)量產(chǎn)裝車(chē)（猛士、風(fēng)神、奕派）。

3.中山大學(xué)在極性與分子構(gòu)象耦合關(guān)系的納尺度表征新方法上取得進(jìn)展

具有壓電/鐵電性的極性聚合物因其獨(dú)特的力、電特性，在能量收集、傳感、驅(qū)動(dòng)及柔性電子等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力與應(yīng)用價(jià)值。然而，這類(lèi)材料的核心力學(xué)行為、電學(xué)響應(yīng)與其內(nèi)在的化學(xué)結(jié)構(gòu)，特別是極性基團(tuán)和極性鍵的空間排布與有序度，存在著深刻的耦合關(guān)系。這種力-電-化多場(chǎng)耦合機(jī)制，一方面極大地拓展了材料性能的可設(shè)計(jì)性與調(diào)控維度，為創(chuàng)造新一代智能材料提供了豐富可能；另一方面，也構(gòu)成了研究中的核心難點(diǎn)。要真正理解并精準(zhǔn)調(diào)控極性聚合物性能，亟需在納米甚至分子尺度上同步解析極性微區(qū)結(jié)構(gòu)與特定化學(xué)鍵/基團(tuán)構(gòu)象的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。遺憾的是，現(xiàn)有技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)這種多物理場(chǎng)、跨尺度的原位協(xié)同表征，這已成為制約極性聚合物基礎(chǔ)研究與高性能化開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵瓶頸。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中山大學(xué)物理學(xué)院、廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張瀟悅副教授課題組通過(guò)結(jié)合原位電學(xué)調(diào)制、線(xiàn)偏振紅外激勵(lì)和原子力探針測(cè)量，提出了一種電控光熱力顯微鏡技術(shù)(Electrically Modulated Photothermal Force Microscopy, ePTFM)。其在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了極性演化過(guò)程中有機(jī)極性基團(tuán)和極性鍵取向、構(gòu)象的特異性表征，可有效研究電驅(qū)動(dòng)下極化與化學(xué)結(jié)構(gòu)演變的耦合關(guān)系。

圖1 ePTFM構(gòu)造及原理示意圖：a. ePTFM的主要構(gòu)造。b. 探針振幅隨調(diào)制電壓變化示意圖。c. 分子轉(zhuǎn)動(dòng)與紅外信號(hào)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)示意圖。

利用該方法，研究人員首先表征了edge-on型P(VDF-TrFE)薄膜鐵電翻轉(zhuǎn)過(guò)程中分子構(gòu)象的演化（圖2）。通過(guò)測(cè)量-CF2基團(tuán)紅外吸收強(qiáng)度隨極性翻轉(zhuǎn)中的改變（IR-E loop），并根據(jù)躍遷偶極矩的紅外吸收光偏振方向依賴(lài)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)-CF2對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)模態(tài)的紅外吸收強(qiáng)度均隨電壓改變呈蝴蝶形回滯，且互為倒置。因此edge-on型P(VDF-TrFE)極化翻轉(zhuǎn)是由-CF2的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的。該結(jié)果驗(yàn)證了本方法特異性表征極性與分子構(gòu)象演化的能力。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示ePTFM信號(hào)不易受到靜電力等因素干擾，因此可很好地規(guī)避在壓電力顯微鏡中常見(jiàn)的由電荷注入等導(dǎo)致的假象。

圖2 電壓驅(qū)動(dòng)edge-on型P(VDF-TrFE)中的CF2轉(zhuǎn)動(dòng). a. edge-on結(jié)構(gòu)示意圖。b. CF2鐵電翻轉(zhuǎn)時(shí)CF2基團(tuán)轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖。c. edge-on結(jié)構(gòu)薄膜的原子力顯微鏡形貌表征。d. 壓電力顯微鏡電滯回線(xiàn)。e. 1289 cm-1的IR-E loop結(jié)果。f. 1183 cm-1波數(shù)下的IR-E loop結(jié)果。

在上述工作基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步利用該方法對(duì)渦旋疇結(jié)構(gòu)P(VDF-TrFE)的極性翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)機(jī)理進(jìn)行探索（圖3）。渦旋疇結(jié)構(gòu)P(VDF-TrFE)具有face-on型空間結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)認(rèn)為其自發(fā)極性方向主要沿面內(nèi)方向。然而，face-on型P(VDF-TrFE)在面外方向上依然具有鐵電性，其結(jié)構(gòu)機(jī)理此前并不明確。研究人員通過(guò)該方法表征發(fā)現(xiàn)，face-on型P(VDF-TrFE)面外方向極性翻轉(zhuǎn)并不由-CF2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，這顯著區(qū)別于edge-on型P(VDF-TrFE)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，face-on型P(VDF-TrFE)中TTTG構(gòu)象的紅外回線(xiàn)出現(xiàn)蝴蝶回滯狀演化形式。結(jié)合變電壓紅外成像分析，該研究提出了Trans(T)-Gauche(G)構(gòu)象轉(zhuǎn)變的極性翻轉(zhuǎn)機(jī)制，即face-on型P(VDF-TrFE)面外極性翻轉(zhuǎn)由應(yīng)力和電場(chǎng)的共同作用下的鏈?zhǔn)綐?gòu)象轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)。

圖3 face-on型P(VDF-TrFE)的表征及極性翻轉(zhuǎn)模型：a. face-on結(jié)構(gòu)示意圖。b. 形貌及面內(nèi)壓電力顯微鏡表征結(jié)果。c. face-on及edge-on結(jié)構(gòu)薄膜紅外光譜對(duì)比。d. 正極化與負(fù)極化時(shí)聚合物鏈?zhǔn)綐?gòu)象示意圖。e. 面外壓電力顯微鏡電滯回線(xiàn)表征結(jié)果。f. 1120 cm-1的IR-E loop結(jié)果。g. 1289 cm-1的IR-E loop結(jié)果。h. 基于構(gòu)象轉(zhuǎn)變的極性翻轉(zhuǎn)機(jī)制示意圖。

綜上所述，本研究提出了ePTFM表征方法。其結(jié)合原位電學(xué)調(diào)制、線(xiàn)偏振紅外激勵(lì)和原子力探針測(cè)量，成功實(shí)現(xiàn)了納米尺度上極性與特定化學(xué)鍵/基團(tuán)構(gòu)象的關(guān)聯(lián)分析。運(yùn)用該方法，本工作分別研究了edge-on和face-on型P(VDF-TrFE)極化翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)機(jī)理。相信ePTFM將為有機(jī)極性材料的力-電-化多場(chǎng)耦合研究提供新的視角，對(duì)于深入理解并精準(zhǔn)調(diào)控極性聚合物性能具有重要價(jià)值。

研究成果以“Electrically Modulated Photothermal Force Microscopy for Revealing Molecular Conformation Changes During Polarization Switching at the Nanoscale”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Nature Communications》上。該工作由中山大學(xué)獨(dú)立完成，物理學(xué)院、廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張瀟悅副教授、鄭躍教授為論文通訊作者，博士研究生姚松佑為第一作者。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省磁電物性基礎(chǔ)學(xué)科研究中心和中山大學(xué)分析測(cè)試中心的大力支持。

4.上海交大李政道研究所嚴(yán)智明課題組在表面非周期超結(jié)構(gòu)研究中取得新進(jìn)展

近日，上海交通大學(xué)李政道研究所青年學(xué)者嚴(yán)智明課題組，在《Communications Materials》上發(fā)表題為《Adsorbate-induced formation of a surface-polarity-driven nonperiodic superstructure》的研究論文。該研究在疊層結(jié)構(gòu)氧化物 PdCrO? 表面發(fā)現(xiàn)了由氫吸附驅(qū)動(dòng)形成的非周期超結(jié)構(gòu)，為新型材料在信息處理和催化等領(lǐng)域提供了新的思路。

非周期或準(zhǔn)周期表面結(jié)構(gòu)因其空間分布的不規(guī)則性，被認(rèn)為在信息存儲(chǔ)與處理、表面催化等技術(shù)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在這項(xiàng)研究中，作者們利用掃描隧道顯微鏡（STM）在原子尺度上對(duì) PdCrO? 表面進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)氫原子在 Pd 層上通過(guò)吸附形成了一種由不同尺寸和幾何形狀的氫團(tuán)簇構(gòu)成、不具備明顯空間周期性的平鋪結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

圖1 在PdCrO2的Pd表面、由氫吸附驅(qū)動(dòng)形成的非周期性平鋪相。a-b, 氫吸附前后的晶格結(jié)構(gòu)示意圖。c, 非周期性平鋪結(jié)構(gòu)的表面形貌圖。d, 同 (c)，圖中不同顏色的六邊形代表平鋪結(jié)構(gòu)內(nèi)不同類(lèi)型的氫團(tuán)簇。e, (c) 的傅里葉變換。f, 非周期性平鋪結(jié)構(gòu)示意圖（黃色為Pd表面的Pd原子，紅色為氫原子）。

研究顯示，該結(jié)構(gòu)不僅在Pd原子層表面引發(fā)了電子結(jié)構(gòu)的顯著空間變化，還促使Pd-H化學(xué)鍵中出現(xiàn)高強(qiáng)度的振動(dòng)模式。尤為引人注目的是，由于該結(jié)構(gòu)所具有的空間自約束特性，以及Pd表面層與晶體內(nèi)層之間較弱的相互作用，每個(gè)氫原子團(tuán)簇都展現(xiàn)出高度局域化的電子狀態(tài)。這種電子束縛態(tài)的能量分布與其團(tuán)簇的幾何形態(tài)密切相關(guān)，揭示了表面結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)之間的非線(xiàn)性關(guān)系。

圖2 空間約束誘導(dǎo)在氫團(tuán)簇內(nèi)形成的電子束縛態(tài)。a, 平鋪相表面形貌圖。大小：(5 nm)2。b-d, 在相同位置，不同偏壓下的差分電導(dǎo)圖譜g(r, V)。e-f,點(diǎn)差分電導(dǎo)能譜顯示不同類(lèi)型氫團(tuán)簇內(nèi)形成的電子束縛態(tài)。

本研究的合作單位包括英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)（University of St Andrews）Peter Wahl教授課題組，以及德國(guó)馬克斯·普朗克固體化學(xué)物理研究所（Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids）Andy Mackenzie 教授課題組。李政道研究所嚴(yán)智明副教授為論文第一作者及通訊作者，博士生鄭渝為共同作者。