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研究團(tuán)隊(duì)利用能谷-贗自旋耦合原理，在絕緣層硅（SOI，silicon-on-insulator）上制備出能谷光子晶體平板。該拓?fù)涔鈱W(xué)結(jié)構(gòu)具有~40nm的特征尺寸，其光子模式（因工作于光錐以下）能夠較好地局域在平板內(nèi)，抑制了平板外損耗。他們制備了直線形、Z形和Ω形等三種拓?fù)涔鈱W(xué)通道，測量出高透平頂透射光譜帶，證實(shí)了近紅外波段下拓?fù)浔Ｗo(hù)的寬帶抗散射傳輸。采用硅微盤技術(shù)產(chǎn)生相位渦旋源，無需低溫和強(qiáng)磁等極端環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浣缑鎽B(tài)的選擇性激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了亞微米量級耦合長度的寬帶光子路由行為，驗(yàn)證了能谷-贗自旋耦合等拓?fù)涔鈱W(xué)原理。?在硅基平臺(tái)上證實(shí)拓?fù)涔庾訉W(xué)原理，是目前國際學(xué)術(shù)前沿的聚焦度較高的領(lǐng)域之一。研究團(tuán)隊(duì)過去在拓?fù)涔庾訉W(xué)原理方面的工作，多次引起國際同行關(guān)注，論文入選ESI高被引。該工作中，他們深入系統(tǒng)地發(fā)展出硅基拓?fù)涔鈱W(xué)等關(guān)鍵理論，攻克了數(shù)十納米加工工藝等關(guān)鍵技術(shù)，率先在硅基光子平臺(tái)與拓?fù)涔庾訉W(xué)之間建立了聯(lián)系，突破了單一自由度調(diào)控的傳統(tǒng)框架，提出了硅基中多自由度耦合的多維調(diào)控新機(jī)制，為微納光學(xué)與光子學(xué)、光二極管等關(guān)鍵光子芯片器件、混合集成光子學(xué)、高保真光量子信息光學(xué)、非線性光學(xué)等領(lǐng)域，提供了新方法和新思路。

寬禁帶半導(dǎo)體硅基GaN器件以其高效率，高開關(guān)速度高工作溫度抗輻時(shí)等特點(diǎn),成為當(dāng)前國際功率半導(dǎo)體器件與技術(shù)學(xué)科的研究前沿及熱點(diǎn)，也是業(yè)界普遍認(rèn)可的性能卓越的下代功率半導(dǎo)體器件。而S基GaN因其S基特性.能夠突破新材料在發(fā)展初期的成本牦頸且易與S集成電路產(chǎn)業(yè)鏈匹配，因此兼具高性能與低成本的優(yōu)點(diǎn)在消費(fèi)電子(如手機(jī)快沖與天線充電).數(shù)據(jù)中心與人工智能，無人駕駛與新能源汽車、5G通信等團(tuán)家戰(zhàn)略新興領(lǐng)城具有巨大的應(yīng)用前景。電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室自2008年起即開展硅基GaN功率器件與集成技術(shù)研究,圍繞硅基GaN兩大核心器件:增強(qiáng)型功率晶體管、功率整流器進(jìn)行基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。解決了增強(qiáng)型功率晶體管閾值電壓大范圍調(diào)控功率二圾管導(dǎo)通電壓調(diào)控與耐壓可靠性加查等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,研究成果為硅基GaN的產(chǎn)業(yè)化奠定了重要基礎(chǔ)。

隨著微電子行業(yè)等微型化科技的快速發(fā)展，薄膜材料得到廣泛應(yīng)用。薄膜電池作為微型電源器件具有廣闊發(fā)展空間。薄膜材料對于硅基負(fù)極而言，其短程儲(chǔ)鋰深度和單向膨脹的優(yōu)勢能夠有效克服硅基材料的本征導(dǎo)電率低和體積膨脹大的問題。開發(fā)無需粘結(jié)劑的硅基負(fù)極薄膜材料對于薄膜負(fù)極發(fā)展意義深遠(yuǎn)。項(xiàng)目通過物理沉積方法，實(shí)現(xiàn)電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與導(dǎo)電型材料復(fù)合，改善硅基材料低導(dǎo)電率問題，優(yōu)化硅基材料體積膨脹緩沖空間，從而完成無粘結(jié)劑硅基材料制備和倍率、循環(huán)等性能的提高。

傳統(tǒng)的CCD、CMOS硅基成像器件都不能響應(yīng)紫外波段的光信號(hào)，這是因?yàn)樽贤獠ǘ蔚墓獠ㄔ诙嗑Ч柚写┩干疃群苄。?lt;2nm）。但是近年來隨著紫外探測技術(shù)的日趨發(fā)展，人們越來越需要對紫外波段進(jìn)行更深的探測分析與認(rèn)識(shí)。紫外探測技術(shù)是繼激光探測技術(shù)和紅外探測技術(shù)之后發(fā)展起來的又一軍民兩用光電探測技術(shù)。幾十年來，紫外探測技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于光譜分析、軍事、空間天文、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)用生物學(xué)等諸多領(lǐng)域，對現(xiàn)代科研、國防和人民生活都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。特別是在先進(jìn)光譜儀器方面，國內(nèi)急迫需要響應(yīng)波段拓展到紫外的硅基成像器件。硅基成像器件如CCD、CMOS是應(yīng)用最廣泛的光電探測器件。當(dāng)前最先進(jìn)的光譜儀器大都采用了CCD或CMOS作為探測器件，這是因?yàn)镃CD、CMOS具有靈敏度強(qiáng)、噪聲低、成像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。但由于紫外波段的光波在多晶硅中穿透深度很?。?lt;2nm），CCD、CMOS等在紫外波段響應(yīng)都很弱。成像器件的這種紫外弱響應(yīng)限制了其在先進(jìn)光譜儀器及其他領(lǐng)域紫外波段探測的使用。 在技術(shù)發(fā)達(dá)國家,寬光譜響應(yīng)范圍、高分辨率、高靈敏度探測器CCD已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高檔光譜儀器中。上世紀(jì)中葉美國Varian公司開發(fā)的Varian700 ICP-AES所使用的寬光譜CCD檢測器分辨率達(dá)0.01nm,光波長在600nm和300nm時(shí)QE分別達(dá)到了84%和50%；美國熱電公司開發(fā)的CAP600 系列ICP所用探測器光譜響應(yīng)范圍更是達(dá)到165～1000nm，在200nm時(shí)的分辨率達(dá)到0.005nm.法國Johinyvon的全譜直讀ICP，其所用的CCD探測器像素分辨率達(dá)0.0035nm,紫外響應(yīng)拓展到120nm的遠(yuǎn)紫外波段。德國斯派克分析儀器公司的全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀一維色散和22個(gè)CCD檢測器設(shè)計(jì)，其光譜響應(yīng)范圍為120－800nm。德國耶拿JENA 連續(xù)光源原子吸收光譜儀contrAA采用高分辨率的中階梯光柵和紫外高靈敏度的一維CCD探測器，分辨率達(dá)0.002nm,光譜響應(yīng)范圍為189—900 nm?？偠灾l(fā)達(dá)國家在寬光譜響應(yīng)和高分辨率高靈敏度探測器件的研制領(lǐng)域已取得相當(dāng)?shù)某删?。主要技術(shù)指標(biāo)和創(chuàng)新點(diǎn)（1）  我們在國內(nèi)首次提出紫外增強(qiáng)的硅基成像器件，并在不改變傳統(tǒng)硅基成像探測器件的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用鍍膜的方法增強(qiáng)成像探測器件CCD、CMOS的紫外響應(yīng)，使其光譜響應(yīng)范圍拓寬到190—1100nm，實(shí)現(xiàn)對190nm以上紫外光的探測。（2）  提高成像探測器的紫外波段靈敏度，達(dá)到0.1V/lex.s。（3）  增強(qiáng)成像探測器件的紫外響應(yīng)的同時(shí)，盡量不削弱探測器件對可見波段的響應(yīng)。（4）  選用適合的無機(jī)材料，克服有機(jī)材料使用壽命短的缺陷。 紫外探測技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于光譜分析、軍事、空間天文、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)用生物學(xué)等諸多領(lǐng)域，對現(xiàn)代科研、國防和人民生活都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。特別是在先進(jìn)光譜儀器方面，國內(nèi)急迫需要響應(yīng)波段拓展到紫外的硅基成像器件，該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)CCD、CMOS結(jié)合，能滿足寬光譜光譜儀器所需的紫外響應(yīng)探測器的需要。能提高光譜儀器光譜響應(yīng)范圍，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)分析和檢測中具有很廣的市場前景。 該設(shè)計(jì)樣品能取代傳統(tǒng)CCD、CMOS，應(yīng)用于大型寬光譜光譜儀器上，作為光譜儀的探測器件。將傳統(tǒng)光譜儀器的光譜檢測范圍拓寬到190—1100nm. 實(shí)現(xiàn)紫外探測和紫外分析。具有較強(qiáng)的市場推廣應(yīng)用價(jià)值。

北京大學(xué)物理學(xué)院“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”王劍威研究員和龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組，與英國、丹麥、奧地利和澳大利亞的學(xué)者合作，實(shí)現(xiàn)了硅基集成光量子芯片上的多體量子糾纏和芯片-芯片間的量子隱形傳態(tài)功能，為芯片上光量子信息處理和計(jì)算模擬的應(yīng)用，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在國際頂級物理期刊Nature Physics(https://www.nature.com/articles/s41567-019-0727-x)。 集成光量子芯片技術(shù)，結(jié)合了量子物理、量子信息和集成光子學(xué)等前沿學(xué)科，通過半導(dǎo)體微納加工制造高性能且大規(guī)模集成的光量子器件，實(shí)現(xiàn)對光量子信息的高效處理、計(jì)算和傳輸?shù)裙δ?。其中，利用硅基平面光波?dǎo)集成技術(shù)的光量子芯片具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢，包括集成度高、穩(wěn)定性好、編程操控性優(yōu)越和可單片集成核心光量子器件等，因此被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)光量子信息應(yīng)用的重要手段之一。 A. 硅基量子隱形傳態(tài)和多光子量子糾纏芯片的示意圖，左上角為集成量子光源的電子顯微鏡圖；B. 量子隱形傳態(tài)的量子線路圖；C. 量子糾纏互換的量子線路圖；D. GHZ糾纏制備的量子線路圖 北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與布里斯托爾大學(xué)、丹麥科技大學(xué)、奧地利科學(xué)院、赫瑞-瓦特大學(xué)和西澳大利亞大學(xué)科研人員密切合作，在硅基光量子芯片技術(shù)和應(yīng)用方面取得了突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于微環(huán)諧振腔的高性能集成量子光源，通過硅波導(dǎo)的強(qiáng)四波混頻非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了光子全同性優(yōu)于90%、無需濾波后處理的50%觸發(fā)效率的單光子對源，達(dá)到了對4組微腔量子光源陣列的相干操控，片上雙光子量子糾纏源的保真度達(dá)到了92%。團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵的可編程片上雙比特量子糾纏門，可以按照功能需要切換貝爾投影測量和量子比特焊接操作，通過量子態(tài)層析實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了高保真的雙比特糾纏操作。 研究團(tuán)隊(duì)在單一硅芯片上實(shí)現(xiàn)了高性能量子糾纏光源、可編程雙比特量子糾纏門，以及可編程單量子比特測量的全功能集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了三種核心量子功能模塊——芯片上四光子真糾纏、量子糾纏互換、芯片-芯片間的高保真量子隱形傳態(tài)。通過對兩對糾纏光子對進(jìn)行量子比特焊接操作，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)并判定了四比特Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 真量子糾纏的存在；通過對兩對糾纏光子中各一個(gè)光子進(jìn)行貝爾投影操作，實(shí)現(xiàn)了量子糾纏互換功能，使來自不同光子源的光子間產(chǎn)生了量子糾纏；利用兩個(gè)芯片間的量子態(tài)傳輸和量子糾纏分布技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)芯片間任意單量子比特的量子隱形傳態(tài)，達(dá)到了近90%的隱形傳態(tài)保真度。 團(tuán)隊(duì)研制的硅基多光子量子芯片尺寸僅占幾平方毫米，比傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法小了約5-6個(gè)數(shù)量級，不僅達(dá)到了器件的微型化，同時(shí)具備了單片全功能集成、器件編程可控、系統(tǒng)性能優(yōu)越等特點(diǎn)，其中量子隱形傳態(tài)保真度優(yōu)于已報(bào)道的其它物理實(shí)現(xiàn)方法。多體量子糾纏體系的片上制備與量子調(diào)控技術(shù)，為片上量子物理基礎(chǔ)研究和片上光量子信息處理傳輸、量子計(jì)算模擬的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

 基于硅材料和CMOS工藝制備光電子器件及其集成技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)低成本、批量化生產(chǎn)，并具有和微電子單片集成的潛力，是目前國際光電子前沿研究領(lǐng)域。該技術(shù)不僅可以用于片上光互連，也可為骨干網(wǎng)、光接入網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心提供高性能、低成本收發(fā)模塊。 在國家973計(jì)劃項(xiàng)目《超高速低功耗光子信息處理集成芯片與技術(shù)基礎(chǔ)研究》的支持下，針對硅基材料不具備線性電光效應(yīng)、而利用自由載流子等離子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)節(jié)效率低、功耗高等科學(xué)難題，提出了一系列解決思路和具有創(chuàng)新性的器件結(jié)構(gòu)，形成了硅基光電子集成器件設(shè)計(jì)方法和基于CMOS工藝的制備工藝流程，成功制備了一系列硅基光電子集成芯片。 該技術(shù)不僅為我國硅基光電子集成技術(shù)的發(fā)展和華為等知名電信設(shè)備企業(yè)新一代產(chǎn)品提供了有力的技術(shù)支撐，也引起了國際同行的密切關(guān)注。美國光學(xué)學(xué)會(huì)《Optics & Photonics News》曾出版專題報(bào)道“Integrated Photonics in China”，對本項(xiàng)目的部分工作進(jìn)行了介紹。2014年底，Nature Photonics將本項(xiàng)目首次在硅基上研制成功的大容量可編程光緩存芯片作為Research Highlight加以報(bào)道。高速低功耗16*16光交換芯片版圖大容量可編程光緩存芯片（左：芯片照片，中：封裝后的結(jié)構(gòu)，右：性能測試結(jié)果）為華為公司研制的400G可調(diào)光模塊。

已有樣品/n在主流硅基FinFET集成工藝基礎(chǔ)上，通過高級刻蝕技術(shù)形成體硅絕緣硅Fin和高k金屬柵取代柵工藝中選擇腐蝕SiO2相結(jié)合，最終形成全隔離硅基環(huán)柵納米線MOS器件的新方法。并在取代柵中絕緣硅Fin釋放之后，采用氧化和氫氣退火兩種工藝分別將隔離的“多邊形硅Fin”轉(zhuǎn)化成“倒水滴形”和“圓形”兩種納米線結(jié)構(gòu)。

基于CMOS工藝，設(shè)計(jì)了大量射頻、毫米波收發(fā)機(jī)和頻率源芯片； CMOS 90nm 60GHz 接收機(jī)芯片，集成片上天線，傳輸效率優(yōu)于IBM芯片90%； CMOS 90nm 21dBm 60GHz功率放大器，性能優(yōu)于Hittite商用GaAs芯片； CMOS 60GHz 移相器芯片，為開發(fā)毫米波相控陣芯片奠定良好基礎(chǔ)；

項(xiàng)目成果/簡介:目前鋰離子電池的能量密度已經(jīng)越來越不能滿足其在電動(dòng)汽車、智能手機(jī)和大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。鋰離子電池的能量密度低主要是因?yàn)樗捎玫恼?fù)極材料的比容量較低，尤其是負(fù)極材料石墨，其理論比容量為 372 mAh/g。目前研究最多的、最具有商業(yè)化前景的負(fù)極材料為硅基負(fù)極材料，其理論比容量為 4200 mAh/g，是石墨的十倍以上。據(jù)招商證券預(yù)計(jì)，硅基負(fù)極材料在 2020 年的市場使用量接近于 5 萬噸，銷售額接近于 50 億。 然而硅基材料在充放電過程中較大的體積變化率（>300%）限制了其商業(yè)化應(yīng)用，較大的體積變化導(dǎo)致極片碎裂以及電解液在材料表面持續(xù)分解，從而造成其循環(huán)性能劇烈下降。另外，硅基材料為半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性較差，從而導(dǎo)致硅基負(fù)極材料的倍率性能較差。如何解決硅基負(fù)極材料這兩大缺點(diǎn)是普及硅基材料在鋰離子電池應(yīng)用的關(guān)鍵。 陳永勝教授課題組結(jié)合在納米技術(shù)和石墨烯材料領(lǐng)域的專長，經(jīng)過近 10 幾年的研究，采用低成本的原材料、易工業(yè)化的工藝技術(shù)制備了石墨烯包覆的硅基負(fù)極材料，主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)包括：1）采用獨(dú)特的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米技術(shù)將大粒徑的硅粉進(jìn)行納米化處理，納米化大大緩解了硅在充放電過程中體積變化的問題，從而從根本上解決了硅基負(fù)極材料循環(huán)性能差的問題；2）石墨烯包覆則充分發(fā)揮了石墨烯導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、機(jī)械性能優(yōu)異、電化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，改善了材料的鋰離子擴(kuò)散性能和電子導(dǎo)電性，大大提高了功率特性； 14隔絕了硅與電解液的直接接觸，抑制副反應(yīng)造成的電解液分解和材料侵蝕，提高了首次效率，延緩了使用過程中的壽命衰減；進(jìn)一步減緩了充放電過程中硅的體積變化，維持材料結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，極大地提升了循環(huán)特性。效益分析:陳永勝教授課題組發(fā)明的石墨烯包覆硅基負(fù)極材料，從制備過程上講，具有工藝簡單、成本低廉、易工業(yè)化的特點(diǎn)；從性能上講，具有比容量高、穩(wěn)定性好、壓實(shí)密度大等優(yōu)點(diǎn)，與高比容量正極組成的鋰離子電池的能量密度是當(dāng)前商業(yè)化鋰離子電池能量密度的數(shù)倍以上。

目前鋰離子電池的能量密度已經(jīng)越來越不能滿足其在電動(dòng)汽車、智能手機(jī)和大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。鋰離子電池的能量密度低主要是因?yàn)樗捎玫恼?fù)極材料的比容量較低，尤其是負(fù)極材料石墨，其理論比容量為 372 mAh/g。目前研究最多的、最具有商業(yè)化前景的負(fù)極材料為硅基負(fù)極材料，其理論比容量為 4200 mAh/g，是石墨的十倍以上。據(jù)招商證券預(yù)計(jì)，硅基負(fù)極材料在 2020 年的市場使用量接近于 5 萬噸，銷售額接近于 50 億。 然而硅基材料在充放電過程中較大的體積變化率（>300%）限制了其商業(yè)化應(yīng)用，較大的體積變化導(dǎo)致極片碎裂以及電解液在材料表面持續(xù)分解，從而造成其循環(huán)性能劇烈下降。另外，硅基材料為半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性較差，從而導(dǎo)致硅基負(fù)極材料的倍率性能較差。如何解決硅基負(fù)極材料這兩大缺點(diǎn)是普及硅基材料在鋰離子電池應(yīng)用的關(guān)鍵。 陳永勝教授課題組結(jié)合在納米技術(shù)和石墨烯材料領(lǐng)域的專長，經(jīng)過近 10 幾年的研究，采用低成本的原材料、易工業(yè)化的工藝技術(shù)制備了石墨烯包覆的硅基負(fù)極材料，主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)包括：1）采用獨(dú)特的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米技術(shù)將大粒徑的硅粉進(jìn)行納米化處理，納米化大大緩解了硅在充放電過程中體積變化的問題，從而從根本上解決了硅基負(fù)極材料循環(huán)性能差的問題；2）石墨烯包覆則充分發(fā)揮了石墨烯導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、機(jī)械性能優(yōu)異、電化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，改善了材料的鋰離子擴(kuò)散性能和電子導(dǎo)電性，大大提高了功率特性； 14隔絕了硅與電解液的直接接觸，抑制副反應(yīng)造成的電解液分解和材料侵蝕，提高了首次效率，延緩了使用過程中的壽命衰減；進(jìn)一步減緩了充放電過程中硅的體積變化，維持材料結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，極大地提升了循環(huán)特性。