中国科大十一月（下）科研进展

近日，中国科学技术大学认知智能全国重点实验室刘淇教授指导博士生张载熙和哈佛大学医学院Marinka Zitnik教授课题组合作，设计了一种基于图表示学习和蛋白质语言模型的深度生成算法PocketGen，生成与小分子结合的蛋白质口袋序列和空间结构。实验验证表明，PocketGen在生成成功率和效率方面均超过了传统方法。相关成果以“Efficient Generation of Protein Pockets with PocketGen”为题于北京时间11月15日发表于《自然·机器智能》（Nature Machine Intelligence）期刊。

研发适用于科学发现任务的人工智能算法，例如功能蛋白质设计，是认知智能全国重点实验室的一个重要研究方向。在药物发现和生物医疗领域，设计与小分子结合的功能蛋白质（例如酶和生物传感器）具有重要意义。然而，基于能量优化和模板匹配的传统方法计算速度慢、成功率低。基于深度学习的模型又存在分子-蛋白质复杂相互作用建模难，序列-结构依赖关系学习难等问题。因此，发展高效、高成功率且准确反映物理化学规律的蛋白质口袋生成算法是该领域的急切需求。

研究团队在前期蛋白质口袋生成工作FAIR（NeurIPS 23 Spotlight）和PocketFlow（NeurIPS 24 Spotlight）的基础上，研发了PocketGen（图1）。PocketGen可以基于蛋白质框架和结合小分子生成蛋白质口袋序列和结构（图1a）。PocketGen主要由两部分组成。第一部分为双层图Transformer编码器（图1b）：该模型受蛋白质固有的层级结构启发，包括氨基酸层级编码器和原子层级编码器，学习不同细粒度的相互作用信息，并更新氨基酸/原子表示和坐标。第二部分为蛋白质预训练语言模型（图1c）：PocketGen高效微调了ESM2模型，辅助氨基酸序列预测。具体方法为：PocketGen固定大部分模型层不变，仅微调部分适应层参数，进行序列-结构信息交叉注意力计算，增强序列-结构一致性。在实验中，PocketGen模型不仅在亲和力和结构合理性等指标上超过传统方法，在计算效率方面也有大幅提高（相比传统方法提升超过10倍）。

图1. (a) 用PocketGen进行蛋白质序列-结构共同设计。(b) 双层图Transformer编码器；(c) 蛋白质预训练语言模型用于序列预测及高效微调技术。

进一步地，团队在芬太尼和艾必克等小分子结合蛋白质口袋设计任务中进行了验证，并与新晋诺贝尔奖得主David Baker教授实验室的生成模型RFDiffusion、RFDiffusionAA等进行比较，验证了PocketGen的有效性。另外，还将PocketGen产生的注意力矩阵与基于第一性原理和力场模拟分析软件得到的结果进行对比展示，表明基于深度学习的PocketGen具有较好可解释性（图2）。

图2. 左侧图为薛定谔软件分析的蛋白质-小分子相互作用关系图。在右侧展示的是PocketGen两个注意力矩阵头的热图，与左侧相互关系成功对应上。

该工作推进了深度生成模型用于功能蛋白质设计，为进一步理解蛋白质设计规律并开展生物实验验证奠定了基础，也展现了人工智能方法在解决药物研发和生物工程领域重要科学问题上的优势。

中国科学技术大学为本文第一单位，计算机科学与技术学院博士生张载熙为本文第一作者，刘淇、Marinka Zitnik为本文共同通讯作者。本研究得到了中国科大陈恩红教授、刘海燕教授等的宝贵建议，以及首届国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士生）、中国科学技术大学优秀博士生出国交流支持计划和中央高校科研启动经费等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42256-024-00920-9

（认知智能全国重点实验室、计算机科学与技术学院、人工智能与数据科学学院）

11月17日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏团队在国际著名期刊《自然·通讯》上发表题为“Breaking the capacity bottleneck of lithium-oxygen batteries through reconceptualizing transport and nucleation kinetics”的研究性工作。该工作通过调控动力学之间的匹配程度，大幅提升了电池的实际放电容量，为实现高能量密度锂空气电池提供了理论指导。

锂氧气电池因其超高的理论能量密度，长期以来被认为是未来能源存储的革命性技术。尽管在高倍率性能和稳定性方面取得了诸多进展，但其实际容量仍远没有达到理论值。容量受限的主要原因在于多孔正极内由于固体放电产物的生成造成空间利用不足。由于锂氧气电池中存在复杂的相变、传质及法拉第反应的耦合过程，加之对电极内部精确表征的技术限制，为突破容量瓶颈带来了巨大挑战。

图1 Li2O2成核-生长理论

解决上述问题的关键，在于建立放电产物过氧化锂（Li₂O₂）微观行为和电化学性能的内在联系。为了排除敏感项（如供体数、催化剂）对Li₂O₂行为的影响，所有研究在固定组件下进行，并通过锂离子浓度调节初始动力学状态。研究发现，锂离子浓度影响下的电化学性能（容量、初始电压平台、阻抗）趋势并不符合离子电导率趋势，且Li₂O₂行为不能完全被先前的成核理论解释。

研究表明，Li₂O₂的成核-生长过程金属锂的沉积机制显著不同，如图1所示。在低锂离子浓度（0.05-0.1 M）的电解液中，电极表面更多的氧吸附量诱发了初始放电阶段较低的过电位，并形成高Li₂O₂核密度。这些高密度核进一步生长为膜状结构，阻断电子传输，导致放电后期电压快速下降。而在高锂离子浓度（0.5-2 M）的电解液中，较低的核密度促使Li₂O₂以分散颗粒的形式生长，从而有效保持了电极表面的氧气和电子传输通道。

通过可视化电极和跨尺度数学模型，该团队进一步探究了Li₂O₂分布特性并追踪其最大体积分数的迁移过程。在0.5M电解液中，Li₂O₂颗粒呈现逆氧气梯度分布，实现了最大放电容量。这一现象是高锂离子电导率、颗粒状产物和快速氧气运输特性综合作用的结果，标志着成核与传输动力学达到最佳平衡。然而，在更高浓度的电解液（0.5-2M）中，较高的粘度限制了氧气传输距离，导致电极利用率和容量渐降低。

图2 结论验证与对电极设计启发

在具有最佳动力学兼容性的0.5M电解液中，靠近隔膜侧传输通道的堵塞是导致电极失效的关键因素。为了验证这一结论，通过改变电极局部结构来调控电池性能，如图2所示。结果表明，在隔膜侧设计呼吸通道，其容量是将呼吸通道设置在氧气入口侧的2.5倍。由此可见，突破容量瓶颈的关键在于维持电极深处的物质传输，而非仅取决于加速氧气传输。

该研究深化了对电极设计准则的理解，并为其他固体产物体系的金属-气体电池提供了参考路径。我校工程科学学院热科学和能源工程系博士研究生张卓君为第一作者，谈鹏特任教授和肖旭博士后研究员为该论文的通讯作者。本工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中国博士后基金以及中央高校基本业务经费等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54366-z

（热科学和能源工程系、科研部）

近日，中国科学技术大学黄汉民教授课题组发展了一种新型的烷基胺动态排序策略，开拓性地将其长期深耕的氮杂三元环钯络合物——Huang-Complex作为胺的识别工具，实现了对具有相似结构和性质的胺同系物的精准识别与有序组装，以优秀的化学、区域和对映选择性构建了一系列非对称手性1,3-二胺。相关研究结果以“Dynamic amine sorting enables multiselective construction of unsymmetrical chiral diamines”为题发表在国际知名期刊《自然·化学》上。

在原子或分子水平操控合成子，并高效、高选择性地将其组装成功能分子，是合成化学的终极追求之一。其中，对具有微小差异的分子同系物进行精确识别是实现上述目标的先决条件。在药物化学中，高化学和立体选择性地组装不同的胺同系物，以合成具有独特药理化学性质的非对称手性二胺，是合成化学家们长期探索的重要课题之一。然而，由于富电子的胺同系物通常具有相似的三维结构和物理化学性质，并且它们对过渡金属催化剂存在着毒化作用，这一愿景目前仍面临着巨大的挑战。迄今为止，绝大多数非对称二胺的合成仍需通过多步反应才能实现，而一步双胺化反应则仅限于引入两个相同的含氮官能团。在这一背景下，开发一种变革性的策略对胺的活性进行精准排序，以实现对胺同系物的高效识别和精准组装，显得尤为重要。

图1 动态胺排序策略构建非对称手性二胺

在动态组合化学（DCC）中，利用酶作为生物受体，在特殊的生物和化学体系中已经实现了脂肪胺在亚胺形式下的高选择性识别。受此启发，同时结合课题组对氮杂三元环钯络合物独特反应活性的深入理解，研究团队提出，通过不同N,O-缩醛对零价钯氧化加成所形成的环钯络合物的反应活性差异，也许能够实现对脂肪胺的高效区分。具体而言，富电子的脂肪胺由于更好的配位能力，优先和钯催化剂生成稳定的三元环钯络合物并发生胺甲基化反应，而缺电子的胺则倾向于游离在体系中发生后续的胺化反应。基于此，研究团队成功开发了一种钯催化的动态胺排序策略，从两种或多种不同的胺，共轭二烯和多聚甲醛出发，以优秀的化学、区域和对映选择性构建了一系列非对称手性1,3-二胺。

图2 代表性反应实例

这一动态胺排序策略拥有非常强大的对胺同系物进行识别的能力，能精准区分环状脂肪胺和非环状脂肪胺、缺电子的非环状脂肪胺和富电子的非环状脂肪胺、脂肪胺和亚砜亚胺以及脂肪胺和芳香胺的胺源组合（图2）。作为这一策略在生物活性分子合成中高效应用的体现，研究团队还成功实现了一种PARP inhibitor 和天然产物 (-)-coniceine 的形式全合成，以及一种NR2B 拮抗剂的全合成。

《自然·化学》杂志审稿人对该工作给予了高度评价，称该项工作“在精确识别具有微小差异的分子领域迈出了重要的一步”（this work takes an important step towards addressing the ambitious challenge in sorting highly similar building blocks; the authors tackled significant issues in physical and life sciences, namely, the precise recognition of molecules with imperceptible differences）。这种独特的动态胺排序策略解决了长期以来胺同系物难以精确区分及有序引入的挑战。从更长远的角度来看，这一成功表明：酶可能不再是对具有高度相似性的构建块进行反应活性排序的唯一选择，因为精心设计的金属配合物能够提供更灵活和普适的替代方案，来控制复杂合成中的精细选择性。

黄汉民教授团队十余年来致力于过渡金属催化的胺甲基化反应研究，发展了近邻杂原子稳定的金属活性中间体导向的催化策略，发明了“Huang-complex”环钯活性中间体(J. Am. Chem. Soc.2012,134, 20613;Acc. Chem. Res.2021,54, 4305 ), 以其为导向配合物(Leading-complex)，发展了C-N键复分解等基元新反应，系统性地建立了一系列钯催化C-C和C-N成键新反应(J. Am. Chem. Soc.2013,135, 18327;J. Am. Chem. Soc.2015,137, 12490;J. Am. Chem. Soc.2016,138, 4314;J. Am. Chem. Soc.2020,142, 18341;J. Am. Chem. Soc.2021,143, 12467;Angew. Chem. Int. Ed.2014,53, 7272;Angew. Chem. Int. Ed.2015,54, 7657;Angew. Chem. Int. Ed.2017,56, 2473;Angew. Chem. Int. Ed.2023,62, e202215325;Chem. Sci.2022,13, 2317;Chem Catal.2022,2, 2034;Angew. Chem. Int. Ed.2023,62, e202311603;Nat. Catal.2023,6, 847–857.Nat. Comm.2024, DOI:10.1038/s41467-024-54328-5)，已取得了一系列重要的阶段性成果。

该工作的第一作者是中国科学技术大学博士研究生蔡守乐，黄汉民教授为通讯作者。该项研究工作得到了国家杰出青年基金(21925111)、重大研究计划手性集成项目(92356302)和中国科学院战略性先导(XDB0450301)等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01673-z

（化学与材料科学学院、精准智能重点实验室、科研部）

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心及化学系的研究团队发展了特氟龙等全氟及多氟烷基化学品的低温还原脱氟分解的变革性新方法。在该工作中，研究人员创制了扭曲促进电子得失的有机小分子超级光还原剂KQGZ，并基于此发展了低温（40-60℃）催化还原特氟龙等全氟及多氟烷基化合物的完全脱氟新方法。北京时间11月20日24时，相关成果以“Photocatalytic low-temperature defluorination of PFASs”为题发表在国际著名学术期刊《自然》上。

全氟和多氟烷基物质（PFAS）由于其分子内牢固的碳-氟键，具有独特的热稳定性、化学稳定性、疏水及疏油特性等，广泛应用于化工、电子、医疗设备、纺织机械、核工业等领域。但是碳-氟键的惰性也导致PFAS在自然环境或温和条件下难以降解。例如，特氟龙在260℃的温度下可以维持多年而不分解；而在500℃以上分解时则会释放出有毒气体。因此，PFAS被称为永久化学品。而被废弃于自然界中的PFAS，则引发了一系列的环境及健康问题。

围绕上述挑战，中国科学技术大学研究团队基于在特定光照具有超强还原性的原理，设计创制了超级有机光还原剂（取名为KQGZ），首次实现了低温下特氟龙及小分子PFAS的完全脱氟矿化，将其高效回收为无机氟盐和碳资源。还原剂是能够提供电子的化学物质；而超级还原剂则是能够把电子注入到还原电位低于负3伏特的化学键的电子供体。该研究不仅首次报道了高度扭曲咔唑核对于超级光还原剂电子得失的促进作用，从而实现永久化学品的完全脱氟；也表明了光还原剂的激发态氧化电位，与其还原能力并无直接关联，并非判断光催化剂还原能力的唯一标准；能否对特氟龙等PFAS进行完全还原脱氟可作为有机还原剂的还原能力标准。

超级有机还原剂KQGZ是我国科学家独立设计创制、具有原创性的独特光还原催化剂，具有广谱的催化断裂牢固碳-杂以及杂-杂原子键的性能；在目前已经尝试的百余类反应中，均取得理想的结果。实验证明，其扭曲结构有效地促进了电子的得失，从而实现了超级还原作用，为新型超级光还原剂的设计和研制提供了新的思路。

该论文的第一作者是中国科大博士生张浩，第二作者是从本科就参与这项研究的中国科大硕士生陈锦祥。通讯作者是中国科大康彦彪教授和南京工业大学曲剑萍教授。该项研究工作获得了国家重点研发项目催化专项(2021YFA1500100)、国家自然科学基金面上项目(22271268)和合肥微尺度物质科学国家研究中心的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08179-1

（化学系、科研部）

中国科学技术大学物理学院樊逢佳教授与河南大学申怀彬教授携手合作，利用EETA技术深入研究了绿色磷化铟基量子点发光二极管的关键科学问题，成功实现了绿色磷化铟基量子点LED的峰值外量子效率（EQE）达到26.68%，亮度突破270,000 cd/m2，并在初始亮度1,000 cd/m2下，T95（亮度衰减到起始值的95%）寿命长达1,241小时，刷新了世界纪录。北京时间11月20日24时，相关研究成果以“Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage”为题，发表在《自然》期刊上，标志着无毒量子点LED技术取得重要进展。

图1 电激发瞬态吸收原理及磷化铟基量子点LED的关键科学问题

LED显示照明是我国的支柱半导体产业。加快新兴显示照明LED（如量子点LED）研究，对于加强并保持我国的产业竞争优势，有着重要的意义。然而，由于缺乏原位、直观的表征手段，目前新兴LED的内部运行机制理解尚不充分，限制了新兴LED的研发速度。樊逢佳教授团队于2020年成功研发出世界首台电激发瞬态吸收（EETA）光谱仪（国家发明专利号：CN202011470295.0；PCT：WOCN21071264），这一技术可以给LED“拍片子”，全方位透视LED中的载流子和电场的时间分辨、空间分布等信息，为LED的机理研究提供关键的技术支持，推动LED领域的科学探索和技术进步。

图2 绿色磷化铟基量子点LED改性策略及高性能器件表征

无镉无铅量子点由于其环境友好优势备受青睐，韩国三星集团投入巨大资源，于2019年和2020年分别发表两篇《自然》论文，展示他们在红蓝两色器件中所取得的进展。然而，绿色无镉量子点LED（目前主要采用磷化铟基量子点）在效率和寿命方面远落后于红色和蓝色环保型量子点LED，成为制约环境友好型全彩量子点LED产业化的关键。樊逢佳教授联合研究团队最新研究表明，当前绿色磷化铟基量子点LED性能较低的主要原因在于电子注入不足和严重的电子泄漏。为此，研究团队提出采用“低、宽势垒”的设计方案，既提升了电子注入效率，又有效抑制了漏电现象。通过这一优化，研究团队成功刷新了世界纪录。

河南大学博士研究生卞阳阳和中国科学技术大学博士研究生严笑寒为该论文共同第一作者；河南大学申怀彬教授和中国科学技术大学樊逢佳教授、北京交通大学唐爱伟教授、河南大学陈斐博士为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委-区域创新发展联合基金、国家重点研发计划等项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08197-z

（物理学院、中国科学院微观磁共振实验室、科研部）

近日，中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、兰州空间技术物理研究所和德国基尔大学的科研人员利用中外高能粒子及辐射探测数据，结合火星大气粒子传输模拟，首次完整地构建了太阳高能粒子在火星空间的能谱。对火星空间辐射环境的监测具有重要意义。相关成果日前发表在国际权威学术期刊地球物理研究快报《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）上，并被该杂志选为当期封面文章。

太阳高能粒子事件（SPE）是由太阳爆发活动产生的最具破坏性的空间天气事件之一。太阳高能粒子事件期间，空间中的高能带电粒子会突然增强，可能对在轨航天器的安全运行和航天员的生命安全造成巨大威胁。和地球不同，火星由于没有全球磁场的保护且大气稀薄，使得其表面也易受这些高能带电粒子及其在火星大气中生成的次级粒子的影响。研究太阳高能粒子事件对火星空间的影响，对于未来火星探测任务中的防辐射工作非常重要。

在此之前，火星轨道上MAVEN卫星搭载的太阳高能粒子仪（Solar Energetic Particle Instrument,SEP）能够探测到能量在7MeV以下的质子通量。而如今MEPA探测器能够探测2-100MeV的质子的通量，极大程度地扩充了火星空间高能质子的能量监测范围，为本项研究提供了关键的数据支持。

2022年2月15日的SPE是“天问一号”环绕器进入火星科学任务轨道以来，首个能够在火星表面引起辐射剂量增强的事件。此事件在火星表面引发的辐射剂量被火星表面“好奇号”火星车上搭载的辐射评估探测器（Radiation Assessment Detector,RAD）完整地记录。本研究联合利用了多个探测器数据来构建完整的SPE质子能谱：火星轨道上的高能粒子探测器MANEN/SEP和MEPA测得了中低能段的质子能谱（20-100MeV）；而更高能段的质子通量是结合火星表面的“好奇号”火星车的数据和火星粒子传输模拟反演而得出。研究人员继而使用双幂律函数对上述观测和反演的能谱进行拟合，得到了此次SPE事件在火星空间的1-1000MeV之间的完整的质子能谱（图2）。研究又利用这一完整的SPE能谱计算了此次事件在火星轨道和火星表面引发的辐射剂量，得到的结果与轨道处的欧洲航天局的微量气体轨道飞行器（TGO）和火星表面的“好奇号”火星车（MSL）的实际测量值均定量相符。这一结果同时验证了MEPA数据的可靠性和火星辐射传输模型的精准性，结果可作为将来类似事件研究的比对参考。

本研究使用了火星处多个粒子和辐射探测器的观测数据，并结合了火星辐射传输模型，重构了火星空间完整的太阳高能粒子事件的质子能谱，加深了我们对火星空间辐射环境的理解，为未来类似事件研究提供了参考，同时凸显了在火星进行连续和协同辐射监测的必要性。

图1.2022年2月15日爆发的太阳高能粒子事件同时被中国的“天问一号”轨道器（Tianwen-1）、ESA的微量气体轨道飞行器（TGO）、NASA的火星大气和挥发性演化轨道器（MAVEN）以及火星表面的“好奇号”火星车（MSL）探测到。（GRL封面文章插图）

图2.观测的能谱和构建的2022年2月15日事件完整的质子能谱

上述成果近期发表在《地球物理研究快报》上，并被选为当期封面文章。研究受到中国科学院重点研究计划和战略重点项目（ZDBS-SSW-TLC00103，XDB41000000）和国家自然科学基金（42188101，42074222和42130204）等项目支持。论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生张建，通讯作者为中国科学技术大学郭静楠教授、中国科学院近代物理研究所的张永杰副研究员和孙志宇研究员以及兰州空间技术物理研究所的李存惠研究员。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2024GL111775

（地球和空间科学学院、科研部）

近日，中国科学技术大学崔林松教授团队与周蒙教授团队以及北京信息科技大学柳渊教授团队合作，提出了纯红光OLED材料设计新策略，开发了色纯度接近NTSC红光标准的纯红光发光材料，在纯红光有机电致发光二极管（OLED）效率和稳定性方面实现新的突破。相关研究成果以“Efficient and Stable Narrowband Pure-Red Light-Emitting Diodes with Electroluminescence Efficiencies Exceeding 43%”为题，于11月13日在线发表于期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。

OLED凭借其超薄结构、高柔性和自发光等特性，正迅速崭露头角，成为新一代高品质显示与照明领域引领性技术。在OLED中，发光材料是关键功能材料，直接决定器件的性能。目前，蓝光和绿光发光材料的效率已经取得了显著进展，基本满足商业化应用需求。然而，受“能隙”定律的制约，发光能隙越窄，非辐射跃迁越强，这使得高发光效率与深红光发射之间难以兼得，严重制约了OLED显示技术的商业发展。因此，如何提升深红光发光材料的辐射跃迁速率和反向系间窜跃速率，是实现高发光效率和高性能纯红光OLED器件的关键科学问题。

研究团队成员围绕这一关键问题，创新性地提出了高发光效率、高色纯和高稳定性的纯红光OLED材料设计新策略。该策略通过在多重共振（MR）单元中引入二级给电子基团，并进一步延展其π骨架，形成不对称的杂化长程和短程电荷转移激发态（图1）。基于该策略设计的分子不仅展现出纯红光发光特性，而且引入的长程电荷转移激发态有助于降低单线态与三线态之间的能级差。同时，融合不对称的咔唑单元增大了自旋轨道耦合（SOC），显著提升了反向系间窜跃速率，并提高了辐射跃迁速率。（见图2）。

图1：相关分子结构与设计策略

图2：相关分子的稳态和瞬态发射光谱

理论计算结果进一步表明，第一激发单重态（S1）呈现以短程电荷转移为主的不对称的杂化长程和短程电荷转移激发态。其中，基于MR母核的短程电荷转移态特性赋予S1态大于0.4的振子强度，从而加速了辐射速率（kr = 2.17×107 s^-1）。此外，短程电荷转移主导的S1态结合刚性的分子骨架，使发光半峰宽保持在较窄范围内（FWHM=0.14 eV）。与此同时，额外引入的长程电荷转移特性有效缩小了单/三线态能级差，并通过不对称咔唑单元显著增强了自旋轨道耦合（SOC），大幅提升了反向系间窜跃速率（kRISC=1.61×10⁵ s⁻¹）（见图3）。相关系间窜跃和反向系间窜跃的动力学过程进一步通过瞬态吸收光谱得到了验证（见图4）。

图3：相关分子的理论计算结果

图4：纯红色分子的瞬态吸收光谱

基于BNTPA分子作为发光材料制备的OLED器件实现了35.2%的最大外量子效率，其CIE值为（0.657, 0.343），与NTSC红光标准（0.67，0.33）非常接近，实现了纯红光OLED的新突破。此外，利用BNTPA作为发光材料的磷光敏化器件达到了43.3%的外量子效率（见图5），并显著提升了器件的稳定性，创下了目前红光OLED器件的最高效率水平。所提出的设计策略为开发高效的纯红色MR-TADF分子提供了新的思路。

图5：纯红色OLED器件的结构与性能

中国科学技术大学博士生葛丽爽、特任副研究员张伟为本工作并列第一作者。崔林松教授、周蒙教授、柳渊教授为该项成果的并列通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学技术大学“双一流”专项基金、中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学理化科学实验中心、中国科学技术大学超级计算中心以及北京并行科技股份有限公司高性能计算平台等支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13375  

(化学与材料科学学院、精准智能化学重点实验室、中科院软物质化学重点实验室、科研部)

中国科学技术大学李微雪教授课题组利用人工智能(AI)在催化基础研究中取得重大突破。研究人员通过可解释AI技术从实验数据中建立了金属-载体相互作用与材料基本性质之间的控制方程，揭示了决定MSI的本质因素，提出了 “强金属-金属作用原理性判据”，解决了氧化物载体包覆金属催化剂的难题。研究成果以“Nature of Metal-Support Interaction for Metal Catalysts on Oxide Supports”为题，于11月22日发表在《科学》上。

负载型金属催化剂是工业及实验中最常用的催化剂之一，研究人员致力于开发高活性、高选择性、高稳定性的催化剂。一个重大科学问题在于洞察“金属-载体相互作用”的本质及其调控，这一作用显著影响着催化剂的稳定性、电子转移、组分、形貌以及界面催化位点等。早在1978年，科学家们就发现氧化物载体在高温还原环境下会发生氧化物包裹金属催化剂的现象，从而显著改变其催化活性和稳定性，这一现象被归结为由强金属-载体相互作用所致。虽然金属-载体相互作用对众多界面现象有着重大影响，科学家们对该作用的本质长期以来一直存在重大争议。

2021年，李微雪课题组建立了金属-载体相互作用调控催化剂稳定性的Sabatier原理，提出了通过构建相互作用强弱不同的双功能载体，来解决催化剂在苛刻条件下的稳定性(Science 374 (2021) 1360-1365)。然而，由于该作用敏感地依赖于金属和载体的组分、尺寸、形貌，催化剂制备和反应条件等，揭示决定金属-载体相互作用强弱的本质、发展具有预测能力的一般性理论仍是亟待解决的重大科学挑战。

图1. 通过可解释性AI(A)和实验数据(B)建立金属-载体相互作用数学模型,“复原”缺失实验数据(C)，量化金属-氧和金属-金属相互作用(D)，解耦对MSI贡献(E)。

在最新研究中，研究人员汇总了多篇文献中的实验界面作用数据，涵盖了25种金属和27种氧化物。他们通过可解释性AI算法，由材料性质作为基本特征，经过迭代式的数学操作，构建了一个由高达300亿个表达式所组成的特征空间。利用压缩感知算法，结合领域知识和理论推导，从中筛选出物理清晰、数值准确的描述符，成功建立了金属-载体相互作用与材料性质之间的控制方程(图1)。

该方程突破性地包含了“金属-金属相互作用”这一关键新变量，同时还包含了“金属-氧相互作用”的贡献，首次完整揭示了决定金属-载体相互作用本质的两个关键因素。通过对675种金属-氧化物体系的分析发现，虽然后者决定了金属催化剂的组分效应，前者是决定载体差异的关键因素，这为理解载体效应提供了全新视角。

图2. 分子动力学揭示氧化物包裹金属催化剂(A-D)，金属-金属相互作用决定包覆界面结构与动力学(E-F)，强金属-金属作用包裹原理性判据(H)。

基于神经网络势函数的分子动力学模拟发现，“金属-金属相互作用”还决定了氧化物包覆金属催化剂的动力学速率，以及包覆界面处金属-金属键的占比(图2)。基于此，团队提出了“强金属-金属作用原理性判据”，即当两种金属间作用强于氧化物中金属组分自身相互作用时，氧化物载体将会包覆金属催化剂。该判据有效地阐释了迄今为止几乎所有观测到的包覆现象，涵盖了10‎种金属和16种氧化物。

研究团队所提出的“金属-载体相互作用”理论具有极高的普适性。它不仅适用于氧化物负载的金属纳米催化剂，还适用于其负载的金属单原子分散催化剂，以及金属负载的氧化物薄膜催化剂。“强金属-金属作用原理性判据”，原则上也同样适用于其他金属化合物载体的包覆行为。该模型经过变换，可以推广到更一般的复合材料界面体系，为界面设计和调控提供理论指导。

研究团队的这一科学突破，将助力于高活性、高选择性、高稳定性催化剂的优化设计，有望加快新催化材料、新催化反应的发现，助推能源、环境和材料的绿色升级和可持续发展。‎清华大学化学系李亚栋院士评价：“这项成果解决了多相催化研究中的一个重大基础科学难题，对高效负载型催化剂的理性设计极具指导价值。”

研究团队的这一科学突破还说明可解释性AI算法，能够有力地从实验数据中构建数学模型，挖掘隐含的物理规律，建立具有预测能力的理论，加速科学原理发现的过程，将推动AI技术与化学研究的深度融合，为实现重大科学问题和技术创新突破提供了全新的视角和可能的解决方案。‎

李微雪教授为该论文的通讯作者，博士生王泰然、胡建钰和上海大学的欧阳润海教授为论文的共同第一作者。该项研究受到国家自然科学基金委、中国科学院、科技部等资助。计算模拟工作在中国科学技术大学超级计算中心完成。

论文链接：http://science.org/doi/10.1126/science.adp6034  

（化学与材料科学学院、精准智能化学重点实验室、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

近日，中国科学技术大学物理学院、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室陈仙辉院士、王震宇教授与中国科学院物理研究所王志俊研究员、美国德克萨斯大学达拉斯分校吕兵教授合作，在拓扑物质的一维拓扑边界态研究中取得重要进展。结合扫描隧道显微镜和第一性原理计算，研究团队在准一维铋碘化合物α-Bi4I4单晶中揭示了一类新的拓扑物态——三维量子自旋霍尔绝缘体：它可以没有拓扑对称性指标，而由自旋陈数描述；实验确定了每层所对应的一对拓扑边界态，并验证了这些边界态的层间耦合很弱。该发现不仅进一步拓展了对拓扑物态的认识，也为在三维体材料中实现近量子化的自旋霍尔电导提供了较为理想的材料选择。相关研究成果于11月20日以 “Observation of Robust One-Dimensional Edge Channels in a Three-Dimensional Quantum Spin Hall Insulator”为题发表在《物理评论X》（Physical Review X）杂志上。

二维量子自旋霍尔绝缘体的边缘处存在一维螺旋色散的拓扑边界态。由于其自旋-轨道锁定的特征，该边界态可以承载较大的自旋流，为构建自旋电子学器件和实现马约拉纳激发提供了重要途径。然而，一维拓扑螺旋模的实现通常需要制备大尺寸、干净且稳定的二维极限下的单原子层，这对材料生长提出了巨大的挑战；在多层体系中，层间耦合往往会打开显著的杂化能隙而使得体系平庸化。虽然理论上预言一维螺旋边界态在拓扑材料中可以广泛存在，但被实验确认的材料体系非常有限。

研究团队结合扫描隧道显微镜和理论计算对α-Bi₄I₄单晶开展了系统的研究。该材料的原胞中存在两个Bi₄I₄原子层，它们之间通过中心反演相互联系。隧道谱测量发现在费米能附近存在较大的体能隙，并在单原子层台阶处观测到了一维无能隙边界态的存在。该边界态在体能隙内出现并随能量表现出近乎恒定的电子态密度分布，这是一维狄拉克色散的典型特征；同时，该边界态在空间上均匀且连续，对杂质缺陷并不敏感，支持了它们的拓扑保护属性。更重要的是，在所有的双原子层台阶处，高分辨测量也确认了两个独立的一维边界态的存在，且它们的谱学特征与单层台阶边界态几乎相同，并没有出现明显的耦合能隙，说明了该体系中一维拓扑边界态的鲁棒性。

研究团队的理论计算进一步表明，虽然α-Bi₄I₄具有平庸的拓扑对称指标（应被分类为平庸的绝缘体），但它具有非零的自旋陈数，因此对应一类新的拓扑物态——三维量子自旋霍尔绝缘体。这一概念利用自旋陈数对弱拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体进行了推广：在三维量子自旋霍尔绝缘体中，三维布里渊区的每一个kz平面都具有相同的非零自旋陈数，即实空间上它由自旋陈数相同的二维量子自旋霍尔绝缘体堆叠而成，当层间耦合较弱（拓扑边缘态层间不耦合）时，每层均可贡献近量子化的自旋霍尔电导。

图.三维量子自旋霍尔绝缘体α-Bi4I4中观察到的一维拓扑边界态。a,α-Bi4I4的原子结构；b,三维量子自旋霍尔绝缘体示意图；c,单层Bi4I4能带计算；d,单层台阶（左）及双层台阶（右）处边界态分布；e, 单层及双层台阶边界态微分电导谱;f,体态能带计算。

上述实验发现与理论计算表明，α-Bi4I4是一类具有自旋陈数描述的三维量子自旋霍尔绝缘体。该结果不仅拓宽了我们对三维绝缘体中拓扑特性的认识，也为实现鲁棒的一维拓扑边界态提供了一个理想材料平台。鉴于α-Bi4I4具有较大的体能隙、无/弱层间耦合的线性色散的拓扑边界态，它有潜力成为构建拓扑自旋器件和马约拉纳器件的理想材料选择。

中国科学技术大学未来技术学院博士研究生喻水康、中国科学院物理所邓俊泽博士和德州大学达拉斯分校刘文豪博士为文章的共同第一作者；王震宇教授、陈仙辉院士、中国科学院物理所的王志俊研究员和德州大学达拉斯分校的吕兵教授为共同通讯作者。本工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省引导项目以及校创新团队项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041048

（物理学院、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室、未来技术学院、科研部）

中国科学技术大学国家同步辐射实验室和火灾科学国家重点实验室王占东教授研究团队在冷火焰链分支反应动力学研究取得重要进展，阐明了500-700 K的冷火焰链分支速率常数，提升了现有低温燃烧模型的预测精度，相关成果以“Unraveling chain branching in cool flames”为题发表在国际著名学术期刊《美国化学会志》上。

冷火焰在19世纪初被发现，相比常规火焰，冷火焰反应并不剧烈，释放很少的热量。冷火焰反应产生大量的过氧化物中间体，随着反应温度的升高，过氧化物发生分解，引发燃料的着火。冷火焰在低温燃烧发动机的点火以及微重力液滴燃烧等过程中发挥着关键作用。目前，文献报道的冷火焰链分支速率常数存在很大差异，这限制了低温燃烧反应动力学模型的发展。

王占东教授课题组在国家同步辐射实验室原子与分子物理线站（BL09U）搭建了毛细管喷雾进样-射流搅拌反应器-超声分子束取样-同步辐射光电离质谱实验平台，实现过氧化物的低温高效气化，均匀温度场的分解反应，以及反应过程的实时在线测量。通过前期工作发展的过氧化物合成方法[Proc.Natl.Acad.Sci.120,e2220131120(2023)]，制备出14种不同结构、不同官能团的烷基过氧化物以及一种典型的羰基过氧化物。基于上述实验平台，获得了这些过氧化物的分解曲线，计算出不同温度下的分解速率常数（图1）。实验结果表明，过氧化物的结构以及官能团变化对烷基过氧化物和羰基过氧化物的分解速率常数影响很小，解决了文献中过氧化物分解速率常数存在巨大差异的问题。

图1烷基过氧化物分解速率常数的实验测量

本工作采用新测量的烷基过氧化物和羰基过氧化物的分解速率常数，对燃烧学界最新发展的低温燃烧动力学模型进行了修正。如图2所示，采用新测量的羰基过氧化物分解速率常数，显著地改进了模型的预测精度，为发展更加准确的低温燃烧动力学模型提供了重要的基础燃烧动力学数据。

图2 羰基过氧化物分解速率常数的实验测量和低温燃烧动力学模型预测精度的提升

中国科学技术大学国家同步辐射实验室研究生虎志洪、谢晟、陈书尧为论文共同第一作者。河南科技大学邢利利副教授、中国科学技术大学王占东教授等为该论文的共同通讯作者。本工作得到国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、中国科学院等项目经费的支持。

论文链接：Hu et al., J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 41, 28060–28069

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c06804

（国家同步辐射实验室、火灾科学国家重点实验室、科研部）

中国科学技术大学工程科学学院、人形机器人研究院董二宝副教授课题组联合香港城市大学于欣格副教授团队，于11月15日在国际著名期刊《国家科学评论》（National Science Review）上在线发表了题为“A tactile perception method with flexible grating structural color”的研究论文。该研究工作提出了一种基于柔性光栅结构色的触觉感知新方法，在触觉传感器的触点定位分辨率和力识别精度等综合性能上实现了重要突破，展现出广阔的应用前景。

触觉传感器是机器人执行复杂精细操作的关键核心部件之一。近年来，随着机器视觉技术的快速发展，基于视觉识别原理的触觉传感器（也被称为视触觉传感器）成为触觉感知领域的重要研究方向。然而，现有的视触觉传感器主要依赖几何光学信息或标记跟踪技术，其触点力位识别感知的分辨率和精度受到了严重制约。针对这一难题，研究团队受仿生结构色现象的启发，创新性地采用柔性光栅薄膜在白光照射下形成的结构色图案作为触觉表征信息，并结合深度学习算法进行数据处理，实现了接触点的高灵敏、高分辨率感知。实验结果表明，这种基于柔性光栅结构色的视触觉感知方法能够充分利用结构色图案中蕴含的丰富触觉表征信息，在触点定位的空间分辨率和法向力识别精度方面显著优于当前的视触觉感知技术，并在综合性能上取得了突破性提升。

图1.基于柔性光栅结构色的触觉感知方法示意图

此外，基于柔性光栅结构色的触觉感知方法展现了卓越的可拓展适用性。研究团队基于核心组件的模块化设计，进一步开发了面向三种典型场景应用的传感器原型：一款高灵敏度振动传感器，能够精准检测低频振动信号；一款仿生触须传感器，能够灵敏感知低频振动和气流扰动；以及一套具备环向三维接触感知能力的内窥镜触觉传感系统。实验进一步验证了该触觉感知方法在机器人感知、环境监测和医疗器械等领域的广泛应用潜力，为智能感知技术的发展提供了全新的研究思路和技术途径。

图2.该触觉感知方法的扩展应用原型示例

中国科学技术大学工程科学学院精密机械与精密仪器系博士生邱宇泽为论文第一作者，中国科学技术大学董二宝副教授和香港城市大学于欣格副教授为论文通讯作者，中国科学技术大学张世武教授和郑津津教授为论文共同作者。该研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目支持。

论文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwae413/7901371

（工程科学学院、人形机器人研究院、科研部）

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队在一类银基硫属化合物（Ag2E，E = S或Se）软晶格离子晶体中发现了类似于传统流体的普拉托-瑞利不稳定性（Plateau-Rayleigh instability）现象，并以此建立了受表面能与界面能共同调控的自限制化学转化新方法，实现了一维周期性同轴异质纳米线的精准普适合成，丰富和发展了无机纳米异质结构的精准合成方法学。该研究成果以“Plateau-Rayleigh instability in soft-lattice inorganic solids”为题发表在《美国化学会志》上(J. Am. Chem.Soc.2024,doi/10.1021/jacs.4c11866)。论文的共同第一作者为中国科学技术大学博士研究生邵振潮、江贤贇和张崇，通讯作者为中国科学技术大学俞书宏院士、江慧军副研究员和合肥工业大学李毅教授。

日常生活中，我们常会见到水龙头的水柱在流速降低时断成串珠状的液滴，这就是19世纪发现的一种典型的普拉托-瑞利不稳定性现象。它通常指一维连续流体在表面张力作用下断裂为一串体积恒定的分立液滴的过程（图1a）。经过一百多年的发展，现如今研究者们已将普拉托-瑞利不稳定性拓展到了纳米尺度上，并发现其广泛存在于包括气体吸附物、液体、聚合物以及熔融态金属纳米线等体系。早在2008年，俞书宏院士课题组报道了聚合物体系中的瑞利不稳定性现象（J. Am. Chem.Soc.2008,130, 5650-5651;Adv. Funct. Mater.2016,26, 5086-5092）；2015年，哈佛大学Charles M. Lieber教授等在气固反应体系中研究了一维Si和Ge纳米线基底上的的瑞利不稳定性现象，成功制备出了周期性同轴Si和Ge纳米线；2016年，香港城市大学陆洋团队在加热条件下观察到了熔融态Au纳米线展现出中的瑞利不稳定性现象。然而对于传统无机固体，其刚性晶格的限制导致原子之间难以通过重复的成键/断键来确保晶格具有类似液体的流动性（图1b），因而目前这种瑞利不稳定性在无机固体中仍难以实现。

图1.液相和固相中普拉托-瑞利不稳定性的示意图。（a）两种典型的液相普拉托-瑞利不稳定性：滴落的液滴以及包裹在纤维上的液珠；（b）传统刚性晶格晶体；（c）晶格离子晶体中的普拉托-瑞利不稳定性。

研究人员基于银基软晶格离子晶体中的弱原子相互作用以及高阳离子迁移率特性，提出这类软晶格材料有望实现离子键的动态断裂与重组，从而作为一种“软粘性固体”表现类似于传统流体的普拉托-瑞利不稳定性行为（图1c）。首先，研究人员使用阳离子交换方法在预先合成的Co9S8纳米线上包覆了一层亚纳米厚的Ag2S外层，形成了Co9S8@Ag2S一维共形核壳纳米线。随后，该亚纳米尺度的Ag2S壳层则在热力学驱动下自发地去润湿化，形成了-[Co9S8@Ag2S]-Co9S8-周期性同轴异质纳米线（图2a）。研究人员进一步结合原位与非原位透射电子显微镜捕捉了这一自限制演变过程（图2b），定量描述了其转化动力学，充分证明其符合固相瑞利不稳定性现象。此外，研究人员在Ag2Se壳层以及ZnS、ZnSe等不同纳米线衬底上也观察到了类似的现象，证明了这一发现的普适性。这种高阶复杂纳米异质结构可作为优异的化学模板用于选择性集成更多功能性的纳米结构单元，为此，研究人员以-[Co9S8@Ag2S]-Co9S8-周期性同轴异质纳米线为例进行展示，将其作为反应中间体，通过进一步的拓扑转变，可控构筑了周期性异质纳米线材料库（图2c-d）。

图2.（a）银基硫属化合物中的普拉托-瑞利不稳定性：通过阳离子交换反应构建的Co9S8@Ag2S核壳纳米线进一步自限制性转化为-[Co9S8@Ag2S]-Co9S8-周期性同轴异质纳米线。（b）原位加热实验捕捉银基硫属化合物中的普拉托-瑞利不稳定性；（c-d）拓扑转变可控构筑周期性异质纳米线材料库。

为了研究该固相瑞利不稳定性产生的内在机制，研究人员与中国科学技术大学侯中怀教授、江慧军副研究员团队合作，进行了有限元分析与分子动力学模拟研究。有限元分析结果表明，该转变过程受体系的表面能与界面能共同调控，随着转化过程进行，体系表面能升高，界面能降低，体系最终从亚稳态转变为了热力学稳定态（图3a）。而分子动力学模拟结果显示，相比于体相Ag₂S，亚纳米厚的Ag₂S薄层具有更高的离子扩散速率，从而保证了晶格的流动性（图3c-d）。因此，在热力学与动力学的共同影响下，这类软晶格无机固体表现出了类似于传统流体的普拉托-瑞利不稳定性行为。

图3.固相瑞利不稳定性现象的热力学与动力学研究。（a）不同构型周期性同轴异质纳米线的应变能、表面能以及总自由能变化；（b-c）分子动力学模拟中Ag⁺的均方位移（MSD）以及扩散系数（D）。

该工作拓展了无机固体中的瑞利不稳定性概念，为制备纳米颗粒以及具有明确组分、结构、界面和空间排列的高阶周期性纳米结构提供了崭新思路，同时也为今后探索其它软晶格固体（如钙钛矿等）中的类流体行为与可控图案化提供了可能。

该工作得到新基石研究员项目、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项基金、国家自然科学基金重大项目、中国科学院青年创新促进会、安徽省重大基础研究项目等资助。特别感谢本校理化科学实验中心透射电镜原位实验平台对文章中原位透射加热实验的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c11866

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部）

我校郭光灿院士团队在碳化硅色心的制备和低温共振激发研究方面取得重要进展。该团队李传锋、许金时等人利用聚焦氦离子束注入结合二次退火技术，成功制备出单个碳化硅双空位色心阵列，并发现其中一类改性的双空位色心(PL6)具有鲁棒的共振激发谱和低的光电离速率。这一成果对于推动基于碳化硅色心的量子网络应用具有重要意义。研究成果以“Robust single modified divacancy color centers in 4H-SiC under resonant excitation”为题，11月22日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。

碳化硅的双空位色心是由一对相邻的碳-硅原子缺失所形成，具有长自旋相干时间和高自旋选择性的光跃迁，是构建自旋-光子界面的重要候选体系。由于空位缺陷的格点位置不同，普通的双空位色心有四种变体，分别命名为PL1至PL4。研究表明，在共振激发条件下，这些普通双空位色心的电荷态会变得不稳定，进而影响自旋-光子界面的构建效率。值得注意的是，碳化硅中还存在一类光谱范围和自旋态与普通双空位色心相似，但具有独特性质的自旋色心，这类色心被称为改性双空位色心（modified divacancy color center）。其中，一种改性双空位色心被命名为PL6。尽管其精确结构尚未完全明了，但理论研究预测，PL6色心具有更好的电荷态稳定性。

李传锋、许金时研究组利用聚焦氦离子束注入并结合二次退火技术，在碳化硅中实现了高精度的单个双空位色心阵列的制备。通过测量角分辨共振激发谱，研究人员观察到PL6色心中两个偏振主轴相互垂直的共振谱峰，在长达3小时的共振激发过程中，这两条谱峰的平均光谱频移保持在50 MHz左右。这种优异的偏振特性和光谱稳定性，使得PL6色心成为基于碳化硅色心构建自旋-光子纠缠界面的理想平台。

进一步的研究表明，在全功率范围内，PL6色心表现出较低的光电离速率。通过共振激发的“双光子过程”会导致色心的光电离现象。研究发现，在低功率下，电离率与共振光功率呈现准二次方关系，而在高功率条件下则呈现准线性关系。特别地，在相同的共振光功率下，PL6色心的电离率比PL4色心低2.6倍，表明PL6色心在光电离过程中具备更强的鲁棒性。此外，通过对多个样品的统计分析，研究团队还发现，利用聚焦氦离子束制备的PL6色心在低温下的共振激发线宽和自旋相干时间均优于相同能量的碳离子和较低能量的氦离子注入制备的PL6色心。

实验结果。图a单个双空位色心阵列的共聚焦荧光扫描图；b单个PL6色心在3小时内的时间分辨光致发光激发谱；c单个PL6色心的角分辨共振激发谱；d单个PL4和PL6的在相同激发功率下光电离速率的比较；e不同制备方法得到单个PL6的共振激发谱线宽；f不同制备方法得到单个PL6的自旋相干时间。

结合此前研究团队发现的PL6色心在室温下具备高发光亮度和大自旋读出对比度的成果[Natl. Sci. Rev. 9, nwab122 (2022)]，本项工作进一步展示了PL6色心在全温域量子信息处理中的巨大潜力。通过将聚焦氦离子束的精准制备技术与碳化硅中PL6色心的独特性质相结合，有望实现PL6色心与微纳光学器件的高效耦合，从而推动高效量子信息处理的实现。

中国科学院量子信息重点实验室博士生何桢暄、博士后周继阳为论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省和中国科学技术大学的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53662-y

（中国科学院量子信息重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

近日，中国科学技术大学张军等联合南京大学陆海、张荣团队在紫外波段单光子激光雷达方向取得新进展，通过设计制备基于4H-SiC材料的单光子雪崩光电二极管，发展主动淬灭主动恢复读出电路技术，研制出具有实用价值的紫外半导体单光子探测器，利用该探测器首次实现了单光子差分吸收臭氧激光雷达系统，并实现1~3.5km高度范围内的臭氧浓度监测，相关成果发表于《应用物理快报》[Appl. Phys. Lett. 125, 211103 (2024)]。

紫外单光子探测技术在大气环境监测、尾焰探测、电弧检测和火灾预警等应用场景中发挥着重要作用。光电倍增管是紫外波段传统的单光子探测器件，但具有灵敏度低、寿命短、磁场敏感等劣势，无法在恶劣环境中（高温、震动、强辐射）长时间稳定工作。相比之下，宽禁带半导体4H-SiC材料具有热导率高、抗辐射能力强、电子饱和漂移速度高以及性能稳定等特点，在研制新型紫外半导体单光子探测器方面具有显著的材料性能优势。然而，长期以来基于该材料的单光子探测器性能指标差，特别是探测效率极低、暗计数率极高，使得该类型单光子探测器不具有实用价值。

中国科大、南京大学团队近年来致力于紫外半导体单光子探测器的联合攻关，取得了一系列新突破。2023年，研究团队通过优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管新型倾斜台面结构和制备工艺，并发展被动淬灭主动恢复读出电路技术，首次研制出了具有实用价值的小型化4H-SiC单光子探测器样机，在266 nm波段探测效率为10.3%、暗计数率为133 kcps[Rev. Sci. Instrum. 94, 033101 (2023)]。此后，研究团队利用该探测器，首次演示了紫外波段单像素单光子成像实验，在接收光强约6pW的条件下实现了单光子成像，成像分辨率为192×192像素，帧率为4fps [Appl. Phys. Lett. 123, 024005 (2023)]。

图1. (a)4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构；(b)主动淬灭主动恢复读出电路

在此基础上，研究团队在4H-SiC单光子探测器性能指标方面持续开展攻关。一方面，通过迭代优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构和工艺提升了器件的单光子探测效率；另一方面，针对4H-SiC单光子雪崩光电二极管器件的特征发展了新型主动淬灭主动恢复读出电路，在有效抑制探测器后脉冲概率的同时显著提升了饱和计数率。经表征，新探测器在266nm波段探测效率达16.6%、暗计数率为138kcps、后脉冲概率为2.7%、饱和计数率达13Mcps，基本满足了紫外单光子激光雷达应用对单光子探测器的性能需求。

研究团队利用该探测器首次在单光子差分吸收臭氧激光雷达系统中开展相关应用，该激光雷达系统将289nm和316nm的脉冲激光同时垂直发射到大气中，由于臭氧分子对两种波长激光的吸收系数不同，通过对比两种激光回波信号的衰减速度可以反演出大气不同高度处的臭氧浓度。为了进行数据比对，实验中将回波信号分为两路，分别用传统的光电倍增管和新型4H-SiC单光子探测器进行探测和数据反演，实验结果表明在1~3.5km范围内使用两种探测器反演出的臭氧浓度分布高度吻合。上述工作为紫外波段单光子激光雷达提供了一种高性能、高环境耐受性的实用化解决方案。

图2.单光子差分吸收臭氧激光雷达系统。(a)原理图；(b)臭氧浓度连续观测结果

该工作得到科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省等资助，同时得到山东国耀量子雷达科技有限公司的技术支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1063/5.0232210

https://doi.org/10.1063/5.0157862

https://doi.org/10.1063/5.0137823

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）

中国科大路军岭教授、王恒伟特任副研究员团队与刘进勋教授团队合作，发展了双界面协同串联催化新策略，通过原子精准级构筑功能互补的FeOx-Rh-ZrO2双界面催化剂，在合成气直接催化转化制乙醇研究中取得重大突破，实现了高转化率、高选择性和高稳定性乙醇定向合成。研究成果以“Atomically‒intimate assembly of dual metal‒oxide interfaces for tandem conversion of syngas to ethanol”为题，于11月25日发表在《自然·纳米技术》上（NatureNanotechnology，2024，DOI:10.1038/s41565-024-01824-w）。

乙醇，俗称酒精，既是重要的基础化工原料，也是全球公认的清洁燃料，与人们的日常生活息息相关。乙醇需求量近年增长迅速，我国需求缺口巨大，超过1000万吨/年。传统乙醇的生产工艺主要依赖粮食发酵路线，不可避免出现“与人争粮”、“与粮争地”的局面，以煤基合成气（一氧化碳和氢气的混合物）为原料化学合成乙醇极具吸引力，对保障我国粮食安全、能源安全，推动我国煤炭资源清洁高效利用具有重要意义。

然而，这一路线的反应网络复杂，包括CO加氢解离活化、CO非解离活化和C–C偶联以及逐步加氢等（图1）。多种反应路径的激烈竞争通常导致该路线往往得到一系列沸点接近的多碳醇、醛、酸和酯的混合物，致使后续分离纯化成本高，严重制约了该路线的工业化应用。到目前为止，含氧产物中高乙醇选择性普遍是在较低的CO转化率下实现的，乙醇产率有限。因此，如何精准调控反应路径，实现合成气高效转化制备单一高碳醇类产物仍然是一个重大难题。

图1.合成气转化制乙醇路线涉及的关键反应路径。

针对以上挑战，路军岭教授团队基于其课题组前期发展的“区域选择性沉积”策略（Nature, 565, 2019, 631-635; Nature Commun., 10, 2019, 4998；Nature Catal., 4, 2021, 840-849），在本工作中进一步巧妙利用乙二醇分子对ZrO2表面的选择性钝化作用，利用原子层沉积（ALD）技术将FeOx物种精准沉积到ZrO₂负载的二维Rh团簇表面，构筑了原子亲密的FeO_x-Rh-ZrO₂双界面催化剂（图2a）。上述选择性沉积不仅可以确保在构筑FeO_x-Rh界面的同时，避免覆盖Rh-ZrO₂界面，实现双界面结构的原子级精准组装，而且还可以进一步通过改变FeO_x沉积周期数，实现两个界面比例的精确调控，从而实现两个界面功能的最佳匹配。球差矫正透射电镜（HAADF-STEM）证实了上述选择性沉积（图2b），揭示了上述两个不同界面具有原子尺度的亲密性（图2c）。

图2.FeOx-Rh-ZrO2双界面催化剂原子级精准组装与电镜表征。(a)选择性沉积策略构筑双界面示意图。(b)元素面分布图。(c)原子分辨电镜图；黄色虚线圈指示Rh团簇，白色箭头指示孤立Rh单原子，内插图表示黄色矩形区域的信号强度分布。

在合成气转化反应中，最优双界面催化剂（6Fe-Rh/ZrO2）表现出优异的性能。如图3所示，该催化剂在CO转化率高达50%时仍可以维持所有含氧产物中90%的乙醇选择性，显著优于任一单界面催化剂（<60%），成功实现高转化率下对乙醇的高选择性合成，打破了该路线中转化率与选择性呈跷跷板关系的困境。最优反应条件下乙醇时空产率（STY）可达668 mg乙醇·g催化剂^-1·h^-1的记录水平，而且可以保持200h以上的稳定性，大幅领先迄今为止报道的所有催化体系。

图3.合成气制乙醇催化性能。(a,b)FeOx-Rh-ZrO2双界面与Rh/ZrO2、Rh/Fe2O3和Rh/SiO2单界面催化剂的催化活性和活化能对比。(c,d)FeOx-Rh-ZrO2双界面催化剂和文献中报道的Rh基、改性甲醇合成、改性费托合成、Mo基等催化体系对比。(e)催化稳定性。

上述选择性沉积的特性为工况条件下活性位结构的谱学精确表征带来巨大便利。研究团队利用原位同步辐射吸收谱（XAFS）和原位X射线光电子能谱（XPS）实验成功解析了双界面的原子和电子结构特征。研究发现工况条件下Rh物种为具有1-2个原子层厚度的金属态团簇，而Rh颗粒表面的FeOx物种为孤立的Fe1O2结构，继而形成了倒置型Fe1O2-Rh单点界面结构。该界面结构与课题组前期发现的倒置型Fe1(OH)3-Pt单点界面结构有一定的相似性（Nature565, 2019, 631-635），证实该类新型单点界面结构具有一定的普适性。

基于界面原子结构的精确认识，刘进勋教授团队进一步通过理论计算揭示了双界面的协同催化机制（图4）。理论计算发现Rh-ZrO2界面在CO活化和并加氢生成CH3*中间体表现出高活性，而邻近的Fe1O2-Rh界面则更有利于非解离活化的CO*与CH3*发生C–C偶联反应，随后逐步加氢生成乙醇，从而两个功能互补的界面通过协同串联实现了乙醇的高效合成。原位红外光谱（DRIFTS）合成气制乙醇实验再次证实了上述双界面功能互补的互补特性和协同串联催化作用。该研究成果展示了合成气向乙醇等高值化学品高效转化的潜力，为复杂反应体系下的催化反应路径精准调控提供了新思路，对负载型金属催化剂的理性设计具有重要意义。

图4.双界面协同催化微观机制。

中国科大博士毕业生李尚和博士研究生冯丽为该论文共同第一作者，中国科大路军岭教授、刘进勋教授和王恒伟特任副研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目、安徽省自然科学基金等项目的支持。感谢上海同步辐射光源、北京同步辐射装置和合肥国家同步辐射实验室以及中国科学技术大学超算中心为该项研究提供的宝贵机时。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01824-w

（精准智能化学重点实验室、化学与材料科学学院、微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚、夏慷蔚等人在光学信息存储领域取得重要进展，提出并发展基于金刚石发光点缺陷的四维信息存储技术，具备面向实际应用所需高密度、超长免维护寿命、快速读写等关键特性，有望为“数据大爆炸”信息时代所亟需的新一代绿色高容量信息存储提供解决方案。这项研究成果以“Terabit-scale high-fidelity diamond data storage”为题，于11月27日在线发表在Nature Photonics上。

信息时代已进入“大数据”阶段，海量数据的采集、存储和分析技术不断进步，正成为推动科技发展的关键力量。对海量数据的应用将在民生、医疗等多个领域产生深远且重大的影响。然而，当前数据存储技术（如磁盘、光盘、固态硬盘等）的发展远远滞后于数据量的增长，存储容量的瓶颈和高能耗问题已成为制约海量数据处理与应用的关键挑战之一。

通过精确制备纳米材料光源并调控光信号的强度、波长、偏振等多维度特性，光学存储技术近年来成为实现高密度存储的重要发展路径之一。然而，纳米材料的稳定性差、信息读写速度较慢、误差大以及高能耗等问题，使得光学存储技术在向实际应用转化的过程中面临巨大挑战。

本文研究团队创新性地利用金刚石中一种可精确人工制备的发光点缺陷，成功解决了上述系列挑战。研究发现，金刚石中的原子尺度弗兰克尔缺陷具备稳定的发光特性，并能精确制备可控调节其发光亮度来编码数据，成为理想的信息存储单元。得益于金刚石材料的超高硬度（为自然界最坚硬材料之一）以及其卓越的化学稳定性（如抗酸碱腐蚀等），存储在金刚石光盘中的数据极为稳定。通过高温测试并结合阿伦尼乌斯定律预测信息单元的稳定性，即使在200℃高温环境下，金刚石中数据的存储寿命可以远超百年。同时，该存储无需任何维护（如温湿度控制等），不产生数据存储的能耗。

为了实现高密度高可靠性存储，研究人员发展了基于飞秒脉冲加工的快速高精度三维缺陷制备技术，单个飞秒脉冲（约200飞秒）即可完成对存储单元的制备，信息写入精度高于99.9%，已达到蓝光光盘国家标准。研究人员还进一步发展了二维、三维的并行读出技术，可同时实现对上万比特高效读出。当前，存储单元的尺寸可达到69nm（约为波长的十二分之一），单元间隔在1微米左右，存储密度达到Terabit/cm³量级，比蓝光光盘存储密度提高三个量级。

图1：（a）金刚石信息存储概念图;（b）多次读出后荧光信号的稳定性表征;（c）高密度堆叠下信息存储单元扫描成像结果;（d）通过荧光强度复用实现的色彩图案存储;（e）实验使用的单个飞秒脉冲表征;（f）通过超分辨显微镜观察单个荧光存储单元尺寸，存储单元荧光信号为负信号；（g）四维信息存储数据展示。

图2：金刚石光盘的写-读效果展示。将世界上第一个计时摄影作品《飞驰中的马》（由埃德沃德·迈布里奇于1878年拍摄）的不同帧数，通过三维堆叠存储在金刚石中，并通过读取形成的动画效果。每一帧的动画数据占用金刚石存储的横向尺寸为90×70平方微米。

该研究团队一直致力于固态发光点缺陷的可控制备与高性能器件的开发。近年来，团队成功研发了一系列金刚石器件，包括面向磁学材料检测的纳米级磁成像量子器件[Rev. Sci. Instrum. 92, 055001 (2021)、Sci. Adv. 8, eabn9573 (2022)]、面向半导体科学的点缺陷成像量子器件[Nat. Photonics.18, 230–235 (2024)]、面向高压科学的极端压力条件下的原位磁测量量子器件[Nat.Commun. 15, 8843 (2024)]。本项研究进一步拓展了固态发光点缺陷在新型信息存储领域的应用。除了本项工作 ，研究团队还开发了基于稀土离子发光点缺陷的可擦写信息存储器件 [Laser Photon. Rev. 18, 2301024 (2024)]，通过发展新技术充分挖掘固态点缺陷的应用潜力，为新一代绿色高密度信息存储提供新的解决方案。

中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生周晶阳与特任副研究员苏佳为本工作共同第一作者，杜江峰院士、王亚教授、夏慷蔚教授为共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部、安徽省的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01573-1

（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

近日，中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室陈仙辉院士、项子霁教授研究团队在磁性拓扑物态研究中取得重大进展。研究团队与中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心周建辉研究员合作，通过横向电输运、热输运测量在磁性外尔半金属NdAlSi中发现显著增强的霍尔洛伦兹数及相应的反常形式维德曼-弗兰兹定律偏离，并揭示其形成机制与近藤型散射有关。该结果为理解磁性拓扑材料中自旋与电荷自由度复杂相互作用提供了重要启示。相关研究成果于11月26日以“Abnormally enhanced Hall Lorenz number in the magnetic Weyl semimetal NdAlSi”为题发表在Nature Communications杂志上[Nat. Commun. 15, 10255 (2024)]。

绝大多数金属材料在低温下的输运行为由朗道费米液体理论描述，其热导率k和电导率s之间的对应关系满足维德曼-弗兰兹定律k=σTL0，其中的常数L0 (=2.44×10-8WΩK-2)为洛伦兹数L的索末菲值。随着温度升高，电子受到逐渐增强的电子-电子和电子-声子非弹性散射作用。导致输运行为偏离维德曼-弗兰兹定律，实验现象表现为洛伦兹数L小于L0。另一方面，洛伦兹数L大于L0的现象（即反常维德曼-弗兰兹定律偏离）在实际材料中非常罕见，仅在铜氧化物高温超导体正常态赝能隙区间等少数非常规体系中有报道；该现象的出现表明电子的输运行为受到某些独立于非弹性散射的特殊物理机制影响，其成因至今仍未得到充分理解。

近年来磁性拓扑物态以其展示出的丰富输运现象及拓扑序可被外磁场有效调控的特性，受到了凝聚态物理学界广泛关注。研究团队在前期工作中对具有独特螺旋形亚铁磁序的外尔半金属NdAlSi高质量单晶开展了角度分辨强磁场量子振荡研究，结合第一性原理计算分析费米面结构随磁场和温度的演化，建立完整的磁场-温度相图 【Phys. Rev. Research 5, L022013 (2023)】。在此基础上，研究团队自主搭建了对小尺寸单晶样品进行高精度热电及热输运性质表征的实验装置，对NdAlSi的纵向热导率和横向热导率（热霍尔效应）开展系统测量，探索其热输运行为在不同磁场-温度相区之间的演化。测量结果显示NdAlSi的纵向热导率包含较大的声子贡献，其声子热导受到4f局域磁矩晶体场多重态共振散射及磁振子（顺磁振子）-声子散射的强烈影响；外磁场对这些散射过程的调控导致纵向热导率在磁场下出现非单调变化行为，表明NdAlSi自旋和晶格系统之间存在复杂的相互作用。横向热输运即热霍尔效应测量揭示了更为有趣的物理现象：如图1a-d所示，NdAlSi的低温霍尔热导率明显大于基于电导率数据和维德曼-弗兰兹定律推导出的数值，表明霍尔洛伦兹数Lxy相对索末菲值L0显著增强，对应于反常的维德曼-弗兰兹定律偏离。该现象在磁有序温度以上仍然存在(图1e)，并且在较宽的磁场区间内出现；Lxy随温度和磁场变化均显示出非单调的演化行为，其最大值约为2L0(图1f)，较大的热霍尔增强幅值排除来自声子和磁激发等电中性粒子的贡献。

上述实验现象表明NdAlSi的电子输运行为受到某种奇特散射过程的影响，其导致热流和电流的不同弛豫效率。研究团队结合理论模型构建和数值计算，指出异常增强的霍尔洛伦兹数来自5d巡游电子和4f局域磁矩之间的高阶自旋翻转弹性散射，即非相干近藤型散射过程。该散射机制导致准粒子的弛豫时间在化学势附近产生能量对称的极小值(图1g)，进而电导率和热导率的积分函数也相应出现特殊的能量分布；在有限温度条件下，电导率受到来自弛豫时间极小值的更强抑制效应，造成洛伦兹数相对索末菲值L0增大。基于这一模型，数值计算给出了低温下增强的霍尔洛伦兹数（图1f），与实验结果相符。

图1.磁性外尔半金属NdAlSi的热霍尔效应和异常增强的霍尔洛伦兹数。a, b,4 K温度测量的横向热导率（a）与分析得到的霍尔洛伦兹数（b）；c, d,同a, b,测量温度15 K；e,横向热输运偏离维德曼-弗兰兹定律的温度范围；f,霍尔洛伦兹数随温度的变化关系；g,近藤散射导致的弛豫时间和输运函数能量分布。

研究结果揭示了NdAlSi中的巡游电子和局域磁矩之间复杂的相互作用，除占据主导地位的间接磁交换作用之外，还存在着“隐藏”的非相干近藤散射效应；后者相对较弱，只能通过改变弛豫时间的能量分布对热输运和电输运的相对关系施加影响，导致霍尔洛伦兹数增强以及维德曼-弗兰兹定律的反常偏离。类似的非相干近藤散射很可能存在于其它磁性拓扑材料中。该结果推进了对磁性拓扑物态中电荷与自旋自由度之间相互作用及其诱导产生的奇特演生现象的认识，并证明热输运测量是探测这些相互作用和演生现象的有效实验手段。

中国科学技术大学物理学院的博士研究生张楠为文章的第一作者；周建辉研究员，项子霁教授和陈仙辉教授为文章的共同通讯作者。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省引导项目以及校创新团队项目的资助。部分实验在中国科学技术大学理化科学实验中心完成。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54632-0

(微尺度物质科学国家研究中心、未来技术学院、物理学院、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室、科研部）

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授研究组与北京师范大学刘海文教授合作，在量子相变研究领域取得了重要进展。研究团队首次在同一体系中同时观测到正常与反常量子格里菲斯相，并通过控制量子涨落实现了对这些相的有效调节。相关成果以题为“Effectively tuning the quantum Griffiths phase by controllable quantum fluctuations”的论文，于11月27日发表在Science Advances期刊上（DOI: 10.1126/sciadv.adp1402）。

量子相变由量子涨落驱动，在揭示复杂量子态及推动量子器件研发方面具有重要意义。无序二维超导体因其增强的量子涨落特性，成为研究量子相变的重要平台。量子涨落与耗散的相互作用极大丰富了量子相变物理，并在二维超导系统中催生了诸如量子金属态和量子格里菲斯相等新颖的量子现象。量子格里菲斯相的形成归因于无序诱导的稀有超导区域嵌入正常态背景中。当温度趋近零时，这些超导区域逐渐增大，其缓慢的动力学行为导致量子格里菲斯相的出现，其特征是发散的有效临界指数（zν），这一现象被称为量子格里菲斯奇异性。近年来，量子格里菲斯相的研究备受关注，成为超导研究的重要前沿课题。然而，尽管在多种二维超导材料中已观察到量子格里菲斯相，如何实现有效调控仍是一个挑战。

图：（a）量子格里菲斯相（QGP）示意图。（b）反常QGP磁场与温度的相图示意图。（c）正常QGP磁场与温度的相图示意图。（d）垂直场下反常量子格里菲斯奇异性（有效临界指数zν从高场一侧接近无限随机量子临界点Bc*时发散），插图为LaAlO₃/KTaO₃(110)器件示意图。（e）平行场下正常量子格里菲斯奇异性（zν从低场一侧接近无限随机量子临界点Bc*时发散）。（f）栅压对反常QGP中反常相边界的温度和磁场范围的调节。

此次研究中，研究团队基于LaAlO₃/KTaO₃(110)超导氧化物界面，通过改变磁场方向和栅压，成功实现了对量子格里菲斯相的有效调控。具体而言，在垂直磁场下，当从高磁场一侧接近无限随机量子临界点时，有效临界指数zν发散，证实了反常量子格里菲斯相的存在，其特征是临界磁场随着温度降低而减小；而在平行磁场下，zν从低磁场一侧接近无限随机量子临界点时发散，表明体系中出现正常量子格里菲斯相，其临界磁场随温度降低而增大。此外，通过改变栅压，研究团队进一步实现了对反常量子格里菲斯相中反常相边界的有效调节。理论分析表明，这种调控可归因于量子临界点附近不同的电导率修正，而这些修正由磁场方向和栅压调节下具有强自旋轨道耦合的量子涨落引起。该工作不仅深化了对量子涨落如何影响量子格里菲斯相的理解，还为通过可控量子涨落探索奇异量子相变提供了新思路。

中国科学技术大学物理学院博士生王碑林为论文第一作者，中国科学技术大学曾长淦教授和北京师范大学刘海文教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院及安徽省的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp1402

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）

近日，合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学技术大学物理学院、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室的肖正国教授课题组，创新性地设计并制备出一种体相肖特基结构。该结构利用多孔碳电极与填充在其内部的钙钛矿半导体形成。体相肖特基结将辐射探测器中的电荷传输距离降低了两个多量级，钙钛矿辐射探测器在低电压下也能实现高灵敏度，向便携式辐射探测器的广泛应用迈出重要一步。11月27日，相关研究成果以A bulk Schottky junction for high-sensitivity portable radiation detectors为题发表在国际著名学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。

金属卤化物钙钛矿材料由于其X射线吸收系数高、光电特性优异成为最有前景的辐射探测材料。由于X射线的穿透能力非常强，因此辐射探测器通常需要几百微米的厚度吸收更多的X射线。目前，传统的辐射探测器像三明治一样是层状结构，载流子必须穿过整个X射线吸收层才能被电极收集。但在这个过程中，又会发生极大的载流子损失，影响探测器性能。此外，传统的层状结构探测器通常需要几十伏甚至上百伏的工作电压，这限制了便携式器件的发展并加剧了钙钛矿器件的性能衰减。

针对上述问题，肖正国课题组利用溶液法，将钙钛矿均匀填充在孔径很小的碳电极网络中，形成体相肖特基结。在这种结构中，X光产生的电荷仅需迁移孔径距离（几百纳米）就能被碳电极收集，从而大幅减少了载流子损耗，并降低了工作电压。该结构的探测器在-1 V的超低电压下就可以实现高达1.42×105mCGyair-1cm-2的灵敏度，并且能够检测到非常低剂量的X射线，最低剂量检测限低至48 nGyairs-1。该结构不仅提高了钙钛矿辐射探测器的性能，还改善了钙钛矿辐射探测器的稳定性，使其在脉冲X射线下稳定运行并在储存5个月后几乎不发生性能衰减。此外，团队还制作了便携式X射线报警器，验证了其在便携设备中的应用潜力。该工作为提升钙钛矿辐射探测器性能和稳定性提供了全新思路，并展现了钙钛矿辐射探测器在便携式设备中的广阔前景。

传统层状结构探测器示意图（a）、体相肖特基结探测器结构示意图（b）、碳电极/钙钛矿界面处的肖特基结示意图（c）、碳电极/钙钛矿复合膜的照片（d）和SEM下的截面形貌（e）、体相肖特基结辐射探测器在不同偏压下的灵敏度（f）、自制的便携式X射线报警装置（g）、脉冲X射线下的工作稳定性（h）、长期储存稳定性（i）。

中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心博士研究生张以涵、物理学院博士研究生黄总铭为该文的共同第一作者，肖正国教授为通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、科技部、中国科学技术大学和安徽省的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54594-3

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室、科研部）