中国科大六月（下）科研进展

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院吴忠庆教授课题组利用第一性原理计算方法，对俯冲大洋板片脱水过程中的镁同位素分馏机制进行了深入研究，发现俯冲大洋板片脱水可以解释不同俯冲带地区岛弧岩浆的镁同位素组成特征，为理解俯冲带的温度结构以及深部水循环提供了新的认识。相关研究成果以“Heavy magnesium isotopic signatures in arc lavas may be attributed to dehydration of subducting hydrated mantle”为题，发表在地球科学领域国际知名学术期刊Communications Earth & Environment上。

大洋板片包括岩石圈地幔、洋壳以及上覆沉积物三层。在俯冲带，俯冲大洋板片可以携带大量水进入地球内部。随着深度的增加，温度和压强逐渐升高，俯冲板片可能发生脱水，并释放流体进入上覆地幔楔。这些流体可以改变地幔楔的物质组成，降低岩石的熔点，从而引发部分熔融，形成岛弧岩浆。了解俯冲板片释放流体的性质对于理解地幔的不均一性、岛弧岩浆组成以及深部水循环都具有重要意义。

镁(Mg) 是地球基本组成元素之一，在地幔橄榄岩中含量很高，在洋壳中含量较低，且具有较强的流体活动性。因此，镁同位素可用于示踪俯冲大洋地幔释放的流体，为研究俯冲带深部水循环提供了一种有效研究手段。然而，俯冲板片内含水地幔橄榄岩脱水过程中的镁同位素分馏机制尚不清楚。

研究团队通过第一性原理计算确定了流体与含水矿物以及地幔硅酸盐矿物间的镁同位素平衡分馏系数。结果显示，含水地幔橄榄岩脱水过程中释放的流体相较于地幔硅酸盐矿物富集重镁同位素。这些高镁含量且富集重镁同位素的流体进入地幔楔导致在多个俯冲带观测到的岛弧岩浆重镁同位素异常。进一步研究表明，不同俯冲带地区岛弧岩浆中镁同位素组成的变化可能与其下俯冲板片中脱水机制有关，而脱水机制又受各自俯冲带温度结构的控制。因此，镁同位素可以作为识别来自俯冲大洋地幔的流体的有效示踪剂，并为探索各种俯冲带的温度结构提供了一种新的工具。

(a) 地幔含水矿物的相图，点表示不同俯冲带地区岛弧下方俯冲板片莫霍面的温压条件；(b) 不同俯冲带地区岛弧岩浆的镁同位素组成特征；(c-d) 俯冲大洋地幔脱水释放流体可以产生岛弧岩浆重镁同位素异常。

论文第一作者为邓忻博士，通讯作者为吴忠庆教授。合作者包括中国科学技术大学陈伊翔教授、王文忠教授、肖子聪博士以及国家超级计算成都中心李永辉博士。中国科大为该论文第一单位。该项研究受到国家自然科学基金项目以及中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。计算工作主要在中国科大超级计算中心和合肥先进计算中心的超级计算机上进行。

论文信息：

Deng, Xin; Chen,Yi-Xiang; Wang, Wenzhong; Li, Yonghui; Xiao, Zicong;Wu, Zhongqing. (2024) "Heavy magnesium isotopic signatures in arc lavas may be attributed to dehydration of subducting hydrated mantle", Communications Earth & Environment, 5, 299.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-024-01466-9

（地球和空间科学学院、科研部）

SUMMER

光具有角动量属性。圆偏振或椭圆偏振光束携带自旋角动量（SAM），具有螺旋相位波前的光束携带轨道角动量（OAM）。在光与微粒相互作用过程中，角动量的传递能够产生光力矩，驱动微粒发生旋转运动。其中，光自旋角动量的传递将驱动微粒绕着自转轴做自旋运动，而轨道角动量的传递能驱动微粒绕着光轴做旋转运动。光致旋转为微观粒子操控提供了新的维度，已被广泛应用于光学传感、光微流变学、微机器人等领域。

近日，我校光学与光学工程系龚雷副教授课题组与新加坡国立大学仇成伟教授开展合作，揭示了光致微粒自旋一种新的物理机制，发现入射光束即使不携带自旋角动量，经过强聚焦后也能产生可控自旋力矩。该机制利用光学霍尔效应，通过调控聚焦场自旋-轨道相互作用，实现了聚焦场自旋角动量的局域传递，进而驱动被捕获微粒产生连续自旋运动。相关研究成果于6月21日以“Controllable Microparticle Spinning via Light without Spin Angular Momentum”为题在线发表于国际知名学术期刊《物理评论快报》。

图1. 光致微粒自旋的物理机制示意图。

由于自旋-轨道相互作用，线偏振或径向偏振光束的两个自旋分量在紧聚焦条件下将产生横向分离，即为一种光学自旋霍尔效应[Fig. 1(a, b)]。然而，这种自旋劈裂的间距只有亚波长量级，在与微粒相互作用时无法有效传递自旋角动量，不能驱动微粒自旋[Fig. 1(d,e)]。研究团队巧妙地运用光学轨道霍尔效应来调控聚焦场自旋角动量密度分布，通过在入射径向偏振光场引入轨道角动量叠加态[Fig. 1(c)]，有效调控两个自旋分量的径向间距，实现了聚焦场自旋角动量对微观粒子的局域传递，最终实现了粒子的可控自转操控[Fig. 1(f)]。

在此基础上，研究团队进一步开发全息光镊的并行操控功能，通过调控入射光场波前，实现了多粒子同时捕获，独立平移和旋转操控。该研究揭示了轨道角动量调控聚焦光场自旋的原理，并为光学自旋-轨道相互作用导致的力学效应研究提供了新的思路。

中国科大光学与光学工程系博士生吴一京为论文第一作者，中国科大龚雷副教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金和安徽省自然科学基金的资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.253803

（光学与光学工程系、科研部）

SUMMER

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院薛向辉教授课题组利用中国科大在我国中东部地区建立的多站流星雷达系统，发展了基于多站流星雷达组网观测的中高层大气三维风场成像技术，将水平分辨率从400千米提高到30千米，并提出了垂直风反演方法，实现了我国中东部地区中高层大气区域三维风场精细探测。相关研究成果以“Mesosphere/lower thermosphere 3-dimensional spatially resolved winds observed by Chinese multistatic meteor radar network using the newly developed VVP method”为题发表于大气科学国际知名学术期刊《地球物理研究杂志：大气》（Nature Index期刊）上。

中高层大气是地球大气向太空过渡的关键区域，在日地空间各个大气圈层耦合过程中起着承上启下的作用。中间层-低热层作为研究中高层大气的代表区域，有着非常剧烈的大气运动和最为丰富的大气波动现象，因此对探测该区域内的大气风场对于理解其内部大气动力学过程及动量能量的垂直输运过程有着重要意义。

流星雷达是中高层大气风场探测的主要手段之一。目前国内外流星雷达通常采用的是单站自发自收观测模式（即雷达接收机和发射机位于同一处），利用流星尾迹的后向散射回波反演水平风场。然而，单站流星雷达反演风场时需假设整个观测范围（半径约为200千米）内的风场为相同速度和方向（即水平风场的同一性），这意味着只能获得大气水平平均风场，缺乏水平方向上的分辨率。另一方面，大气垂直风可以直接反映大气动量、能量和成分的垂直输运过程，这对于研究全球大气的动力学过程及其经向环流具有重要意义。但是中间层-低热层大气垂直风量级很小（通常只有0.1cm/s至1m/s），导致对垂直风探测技术的精度要求很高，因此中间层-低热层大气垂直风探测是目前中高层大气探测技术中最薄弱的环节之一，数据非常稀缺。

针对上述问题，为了实现中间层-低热层大气区域三维精细风场探测，中国科学技术大学中高层大气团队在中国中东部地区建立了我国首套多站流星雷达系统，发展了多站流星雷达间信号的互发互收技术，实现多站流星雷达组网观测。如图1所示，该多站流星雷达系统包括蒙城、肥东流星雷达以及长丰远程接收站，中国科学院地质与地球物理研究所武汉站流星雷达，组成了3发5收多站流星雷达系统。多站流星雷达不仅可以扩大观测范围、增加流星探测数量，最重要的是由于能够同时对同一片区域从不同角度进行观测，最终可以实现中间层-低热层大气三维风场探测。

图1. 中国中东部多站流星雷达观测网工作示意图（从左至右：肥东、长丰、蒙城、武汉站）。

在此基础上，薛向辉教授课题组与瑞士伯尔尼大学应用物理研究所Gunter Stober教授团队合作，发展了基于中东部多站流星雷达系统的三维风场成像技术，实现了中间层-低热层大气三维风场探测。图2展示了我国中东部地区中间层-低热层大气区域二维水平风场变化情况，通过对大气风场的精细化探测，发现该区域大气风场呈现复杂的动力学过程，如大气风场的汇聚、旋转、发散等过程。另外，利用多站流星雷达系统，该研究首次实现了中纬度地区中间层-低热层大气垂直风的长期连续观测。观测得到垂直风基本小于1m/s，符合理论量级，填补了该区域垂直风连续探测的空白。目前，该多站流星雷达系统正在开展日常观测，已积累超过两年的连续观测数据，可以为我国中高层大气环境实时监测和科学研究提供数据支撑。

图2. 多站流星雷达系统观测的中东部地区中间层-低热层大气二维水平风场。

论文第一作者为地球和空间科学学院博士生曾洁，通讯作者为薛向辉教授和易稳副教授。合作者还包括了中国科学院地质与地球物理研究所李国主研究员、宁百齐研究员以及澳大利亚阿德莱德大学Iain Reid教授等。中国科大为该论文第一单位。此研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、双一流专项资助，安徽省自然科学基金、子午工程、瑞士国家自然科学基金等的资助。同时，中国科学院地质与地球物理研究所为本研究提供了武汉流星雷达数据支持。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2023JD040642

（地球和空间科学学院、科研部）

SUMMER

近日，中国科学技术大学高敏锐教授课题组报道在碱性氢气氧化反应中，镍-钨合金中的钨的比例可以精细调控镍的未配对电子，进而调节合金的零电荷电势和羟基吸附能力，打破电解液中钾离子溶剂鞘，释放自由水，提升氢键网络的连通性，从而带来催化性能的增益。相关成果以“Unraveling Stoichiometry Effect in Nickel-Tungsten Alloys for Efficient Hydrogen Oxidation Catalysis in Alkaline Electrolytes”为题发表在国际著名学术期刊《德国应用化学》上。

氢-氧燃料电池以其能量转换效率高、加氢速度快、续航里程长、零碳排放等优点，成为极具吸引力的汽车动力源。与依赖铂催化剂的质子交换膜燃料电池相比，阴离子交换膜燃料电池容许使用非铂金属催化剂。然而，在碱性电解质中，阳极氢气氧化反应（HOR）动力学比在酸性介质中降低约100倍。目前，镍基HOR催化剂在碱性中表现出极具潜力的HOR性能。然而，要达到商业应用要求，其活性和稳定性仍需进一步提升。

图1：镍-钨合金催化氢气氧化反应的机理研究

研究人员通过微波热策略制备了镍-钨氢氧化物前驱体，再经过退火即可制备镍-钨合金。不同化学计量比的镍-钨合金的HOR活性依次为Ni₁₉W＜Ni₉W＜Ni₃W＜Ni₄W＜Ni₁₇W₃，其中Ni₁₇W₃的性能最佳，优于商业铂碳催化剂。

通过原位拉曼光谱对界面水结构的探究发现，与其他镍-钨合金相比，Ni₁₇W₃的“gap-H2O”分子比例最高，表明其氢键网络的连通性最好。此外，系列电化学表征表明，Ni₁₇W₃具有最强的羟基结合能和最小的表面功函数与零电荷电势（PZC）。较小的PZC有利于界面水结构的重组，而吸附的羟基则易于溶剂中钾离子配位，打破其溶剂鞘，释放自由水，有利于构建更联通的氢键网络结构。

为了进一步验证镍-钨比在电子结构调制方面的作用，研究人员通过电子顺磁共振、温度相关磁化率测量，确定Ni₁₇W₃的未配对Ni 3d电子平均数量为3.7，大于其他镍-钨合金。未配对电子增加改变了镍三维轨道电子构型，不但减小了表面功函、带来PZC的减小，并且导致d带中心的上移、提高了OH的吸附能。

因此，通过将镍与电负性小的钨合金化，微调镍的未配对电子，实现有利于羟基吸附的PZC和表面电子态。吸附的羟基可以与电解液中的钾离子配位，打破钾阳离子的溶剂鞘，增加自由水分子，构建连通性更好的氢键网络，从而有利于H+/OH-中间体通过Grotthuss机制传输，增加了催化性能。该工作揭示的新机制对于突破当前非贵金属碱性HOR催化剂的性能极限和创制新一代非铂催化剂具有重要的借鉴意义。

论文的通讯作者是合肥微尺度物质科学国家研究中心高敏锐教授，共同第一作者为中国科大博士研究生王业华、博士研究生杨宇、博士后高飞跃。相关研究受到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、国家重大科学研究计划、安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202407613

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

SUMMER

近期，中国科学技术大学环境科学与工程系、苏州高等研究院在单原子催化水污染控制方面取得新进展，揭示了限域单原子催化促进污染物降解的新机制，并构建了高效的限域单原子类芬顿催化体系。研究成果以“Nanoconfinement steers nonradical pathway transition in single atom Fenton-like catalysis for improving oxidant utilization”为题发表于《自然·通讯》。

单原子催化剂在类芬顿氧化体系中展现出优异的催化活性，但污染物降解效率仍受限于反应物的界面传质速率，并且依然需要消耗大量氧化剂。研究发现通过构建纳米限域体系可显著提升污染物降解效率，但其具体调控机制尚不清晰，现有研究通常将其归因于污染物/氧化剂的表面富集。

该研究以具有表层纳米孔道的中孔硅球为载体，通过精准调控纳米孔径构建了具有不同纳米限域程度的Co单原子催化体系，发现纳米限域不仅显著增强了反应物富集和界面传质，而且诱发了催化反应途径由单线态氧逐渐转变为直接电子转移途径，从而显著提升了对富电子污染物的降解效率和氧化剂利用率。该研究拓展了限域催化基础理论，为进一步推动高级氧化水处理技术及其他非均相催化技术的发展提供了指导依据。

图：纳米限域单原子催化剂的形貌结构特征及催化反应机制

该论文第一作者为环境科学与工程系博士生孟岩、硕士生刘钰沁和国家同步辐射实验室王超副研究员，通讯作者为环境科学与工程系李文卫教授和苏州高等研究院郭智妍博士。该工作得到了国家自然科学基金项目和安徽省重点研发项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49605-2

（环境科学与工程系、苏州高等研究院、科研部）

SUMMER

近日，中国科大微电子学院石媛媛教授课题组设计并实现了一种直接在硅片上制造大规模单层(Monolayer, ML)单晶MoS2高性能晶体管阵列的集成方法，相关研究成果成功入选2024 Symposium on VLSI Technology and Circuits（以下简称VLSI Symposium）。

VLSI Symposium是集成电路领域最具盛名的三大国际会议（IEDM, ISSCC和VLSI）之一，今年VLSI Symposium于6月16日至6月20日在美国夏威夷举行，会议汇集了世界各地行业和学术界的工程师和科学家，讨论超大规模集成电路制造和设计中的挑战和难题。

随着先进工艺节点的持续推进，二维半导体晶体管的研发有助于延续摩尔定律，持续推进晶体管特征尺寸的微缩，不断提升芯片算力。在基于二维半导体沟道的晶体管中，沟道的质量至关重要，常规直接生长方法沉积的多晶沟道存在大量晶界，导致器件较低的载流子迁移率。而通过单晶衬底外延生长的二维半导体成本较大，制备器件所必需的转移过程也会带来污染与缺陷等。此研究受单晶衬底外延生长的启发，在硅片上设计了非晶Al2O3三角形类台阶图案，同时利用二维半导体在非晶Al2O3和SiO2上吸附能的差异性（图1a），促进单晶ML-MoS2阵列的选择性区域生长(Selectiveareagrowth, SAG)（图1b）。同时在SAG单晶ML-MoS2上直接（无需转移过程）进行了大规模双栅晶体管的制备（图1c-d）。

图1. SAG MoS2晶体管概念与集成。(a) DFT计算二维半导体MoS2在不同非晶衬底上的吸附能；(b)图案化工艺辅助的SAG单晶ML-MoS2；基于SAGML-MoS2沟道的双栅晶体管(c)三维示意图和 (d) 阵列显微镜图

图2. SAG MoS2晶体管性能。(a) 基于SAG ML-MoS2沟道的背栅晶体管与直接生长制备的MoS2背栅晶体管转移特性曲线对比；(b)本工作中SAG ML-MoS2晶体管性能与相关文献对比的基准图

基于SAG ML-MoS2沟道的背栅晶体管开态电流较直接生长的MoS2沟道晶体管提升104倍，亚阈值摆幅减小2倍（图2）。晶体管阵列中器件最大载流子迁移率可达62.8 cm2/Vs，电流开关比>108。此晶体管性能随着点缺陷、栅介质等的调控可以进一步提升。该研究成果以“Single-crystalline monolayer MoS2arrays based high-performance transistors via selective-area CVD growth directly on silicon wafers”为题在大会作报告。

中国科大微电子学院硕士研究生朱贵旭为该论文第一作者，石媛媛教授为通讯作者，该项研究得到了国家自然科学基金的资助，同时也得到了中国科大信息科学技术学院、微纳研究与制造中心以及理化中心的支持。

大会官网：https://www.vlsisymposium.org

（微电子学院、科研部）

SUMMER

近日，中国科大周蒙教授课题组与首都师大付红兵教授团队合作，揭示了聚集效应对热致延迟荧光材料发光性质调控的机制。研究成果以“Aggregation Enhanced Thermally Activated Delayed Fluorescence through Spin-Orbit Coupling Regulation”为题，在《德国应用化学》上发表，并被选为热点文章。

将聚集诱导发射(AIE)效应集成到热致延迟荧光(TADF)发光材料中，能够为高效有机发光二极管(OLED)的发展提供巨大潜力。虽然该类材料与器件的合成与制作取得了一些进展，但对相应的理论机制仍缺乏了解。在该工作中，研究团队旨在通过聚集效应来控制激发态的动态过程从而调节TADF。

研究发现，聚集不仅同时增强了即时荧光和延迟荧光，而且对分子激发态构象变化给予束缚作用。这种束缚不仅增强了自旋轨道耦合(SOC)，而且减小了单重态和三重态之间的能差(DE_ST)。本工作揭示了聚集效应调控TADF的基本机制的理解，为高效光致发光材料的设计提供了指导。

研究团队首先分析了目标材料DCzBF₂在N₂气氛和O₂气氛下聚集效应对TADF的调控。研究发现无论在N₂气氛还是在O₂气氛下，DCzBF₂都表现出明显聚集增强发光的效应。同时，发现在N₂气氛中DCzBF₂的即时荧光和延迟荧光的相对比例随着聚集效应的增强始终保持不变。

利用超快光谱研究发现，聚集后分子的激发态构象变化过程被显著抑制。然而超快光谱在液相中未捕捉到TADF过程，但在膜相中却捕捉到相应的过程。量化计算揭示这是由于膜相中分子的构象转动被抑制，增强了发生系间窜越(ISC)过程的单重态与三重态之间的SOC，且减小了相应的DE_ST，从而产生较强的三重态信号。最后作者研究了不同聚集程度对激发态弛豫过程的影响，研究发现聚集效应增强会导致激发态弛豫过程变慢，并且在低聚集程度下还存在激发态构象变化过程，而高聚集程度下激发态构象变化完全抑制。

该研究展示了在TADF材料中整合AIE效应的可行性，并揭示了相应的工作机制。研究发现，随着聚集效应的增强，即时荧光和延迟荧光逐渐增强，但聚集效应不会改变单重态辐射速率和ISC速率之间的比值。此外，溶液和薄膜中超快光谱和理论计算研究进一步揭示增强SOC、减小DE_ST是聚集增强TADF的本质原因。

中国科大张伟特任副研究员为论文第一作者；中国科大周蒙教授、孔洁特任副研究员及首都师大付红兵教授为该论文的通讯作者。该工作得到了中国科学院和国家自然科学基金委的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202404978

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）