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一周前沿科技盘点丨电荷操控水滴润湿行为:全新接触电致润湿效应面世;
实时反馈控制与机器学习融合,革新半导体外延生长工艺


发布日期: 2024- 05- 07 信息来源: 园区发展建设处 字体:[ ]

从日常生活中雨滴在雨伞上的顺滑滚落,到工业生产中钢铁淬火工艺的精确控制,润湿性都发挥着举足轻重的作用。将润湿性与接触起电这两个看似独立的研究领域相结合,可以推动接触起电与其他领域的交叉融合。近日,中国科学院研究团队在这一领域取得了重要突破。

历经近半个世纪的发展,分子束外延(MBE)在自动控制和原位观测上取得了长足进步,但硬件构造与生长模式依旧沿用传统。MBE生长优化往往依赖于经验的累积和耗时的试错,导致半导体材料生长受限于参数调整的复杂性与人为设定的主观性,性能难以再上新台阶。对此,中国科学院研究团队进行了相关探索。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆,我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天,为大家带来第九十期。

1、《Advanced  Materials》丨电荷操控水滴润湿行为:全新接触电致润湿效应面世

润湿性,即液体在固体表面的铺展能力。从日常生活中雨滴在雨伞上的顺滑滚落,到工业生产中钢铁淬火工艺的精确控制,润湿性都发挥着举足轻重的作用。与此同时,当液体与固体表面接触时,电荷在两者间发生转移,也会对界面的物理与化学特性产生影响。科学家们已经在超润湿结构的构建方面取得了显著进展,但对于固液界面电荷转移对润湿性的影响关注却相对较少。将润湿性与接触起电这两个看似独立的研究领域相结合,不仅有助于我们更全面地理解固液界面的复杂润湿行为,还可以推动接触起电与其他领域的交叉融合,为发现新奇现象和潜在的应用奠定基础。

近日,中国科学院北京纳米能源系统研究所的王中林院士团队在这一领域取得了重要突破。他们发现,当水滴在固体表面铺展时,伴随着的电荷转移会自发地引起固体润湿性的变化。这一现象被称为接触电致润湿效应(CEW)。通过对固液界面电信号和动态接触角的同时观测,该团队进一步证明了接触起电对动态润湿过程的影响。

2、《Nature Communications》丨实时反馈控制与机器学习融合,革新半导体外延生长工艺

分子束外延(MBE)在自动控制和原位观测上取得了长足进步,但硬件构造与生长模式依旧沿用传统。MBE生长优化往往依赖于经验的累积和耗时的试错,导致半导体材料生长受限于参数调整的复杂性与人为设定的主观性,性能难以再上新台阶。为了打破这一瓶颈,亟需减少人为主观性对材料生长的影响,实现材料生长的智能化和标准化。智能化,意味着生长参数能够自我优化,提升材料的品质。标准化,则是生长状态与阶段转化的识别方法统一,识别结果不会由于经验误差和设备稳定性等干扰而发生波动。

近日,中国科学院半导体研究所赵超研究员-王占国院士团队在材料生长过程中运用反馈控制来动态调整生长参数,成功实现了基于机器学习和原位反馈控制的III-V族半导体外延。

该项研究验证了反馈控制下变参数生长方法的可行性;与传统方法相比,该方法具备原位调整能力与可靠性,能够显著加速材料优化过程,有望成为半导体外延生长的新方式并推动外延设备的升级。该技术将为我国半导体领域解决关键外延材料难题提供方案,成为数字孪生技术助力芯片制造的初步尝试,为实现高端半导体芯片自主制造奠定基础。

3、《Nature Communications》丨光合作用效率提升:激子-振动耦合维持长期量子相干

长期以来,光合捕光系统的传能机制都是由F?rster共振传能描述的,这种适用于给-受体色素分子间距离较远、相互作用较弱的经典传能模式不可避免的存在能量耗散。然而在实际捕光系统中,色素间的相互作用往往比较强,耦合比较大。这时色素之间会共享分子轨道,激发其中任何一个色素,它的激发态都会发生离域,形成这些色素分子激发态的叠加,即相干叠加态,也被称为激子态。这种相干叠加态的传能,称为相干传能。实验表明,相干态传能效率显著高于经典传能机制。实验中,受激系统大多是非孤立的,和环境热库作用导致位相关系的破坏,即发生退相干过程,而对于处于自然条件下的光合系统,所处的室温条件及介质分子(如蛋白质和水分子)又会加剧该退相干过程。对于电子激发态,退相干过程的时间尺度通常在几个到数十飞秒之间,远远小于光合作用色素间发生有效传能的数百飞秒时间范围。因此,如果光合系统存在有效的量子相干态传能机制,那么量子相干态的寿命必须和传能时间相匹配才能发挥作用。

近日,中国科学院物理研究所团队,应用自行研制的二维电子光谱仪,研究了重组别藻蓝蛋白的长寿命量子相干态及其量子位相同步机制。该工作从理论上阐明了量子位相同步的量子力学机制,预测了量子位相同步导致的实验现象,并通过二维电子态相干光谱实验定量地加以证实,从而揭示量子位相同步是二聚体激子通过电子-振动耦合,抵御环境噪声、保护长寿命电子-振动相干态的一种普适策略,是大自然应用量子力学优化传能路径的杰作。该原理不仅仅适用于光合体系,也必将为人工设计的量子相干系统所借鉴。

4、《Environmental Science & Technology》丨室温电催化技术实现硫化氢无害化全分解

近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部李灿院士团队开发了离场电催化新技术,在室温、常压下实现硫化氢全分解制氢和硫磺,有望替代工业现行的克劳斯技术,实现天然气开采、炼油行业和煤化工过程中硫化氢的消除和资源化利用,并成为低成本制绿氢的一条新路径。

硫化氢是一种剧毒化合物,又是一种重要的资源,通常伴生或副产于天然气开采、炼油行业和煤化工过程。据不完全统计,我国每年的硫化氢产量约为80亿立方米,全球范围每年产量约为700亿立方米。硫化氢消除并资源化利用是天然气开采、炼油行业、煤化工等工业中长期面临的课题,是具有百年历史的重要研究课题。现行的高温氧化克劳斯工艺通过将硫化氢氧化成硫磺和水而消除,但该过程排放大量的含硫化合物尾气,常常需要进一步二次处理,甚至经过多步克劳斯过程,以期完全消除含硫污染物。另外,克劳斯工艺只可获得硫磺,氢资源转化为水而造成了资源损失。

李灿团队早在2003年就开始致力于采用非常规技术进行硫化氢分解反应的研究,先后采用光催化、电催化、光电催化等技术探索了硫化氢分解制氢和硫磺,原理上验证了光电催化技术路线的可行性。目前,团队已经完成了实验室100升硫化氢/天的小试规模的技术验证和长周期运行实验,硫化氢转化率可大于99.9999%,含硫污染物排放低于1ppm ,氢气纯度达到99.999%以上。该离场电催化反应工艺解决了电化学技术放大的工程难题。

5、《Angewandte Chemie International Edition》丨新型八极分子实现超快、抗疲劳固态转换

给体-受体斯坦豪斯加合物是一类新型的光致变色化合物,可以在可见光与热的作用下在有色链状与无色环状间往复切换,自2014年由Alaniz等人发现以来,受到了研究者们的广泛关注,尤其是在光控表面处理、药物递送、光学信息加密与流体控制等众多领域具有潜在的应用价值。然而,与其他光致变色化合物类似,虽然DASAs在溶液中具有优异的光开关能力,但是DASAs在固态聚合物基质中的光致变色速率较慢甚至被抑制,且抗疲劳性能差,这限制了其实际应用。

近日,东南大学智能材料研究院院长、首席科学家、化学化工学院李全团队在可见光光致变色方面取得重要进展。团队通过构筑八极给-受体结构,设计并合成了一系列支化结构的八极斯坦豪斯加合物,在聚合物基质中实现了超快、可逆的可见光光致变色,具有优异的抗疲劳性,并挖掘了其在冷链运输防伪及断链指示和光学信息加密中的应用。

该工作不仅构筑了一类可实现超快可逆、抗疲劳性能好的可见光光致变色的新型有机光开关,还为克服光致变色分子在固体基质中光致变色性能较差这一局限提供了新的思路,从而提升了其在众多领域中的实际应用价值。

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