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基于核酸框架的分子机器

中国科学：化学 2024年第5期54卷 802-810页

作者：依沙克江·赛麦提李敏闫庆龙左小磊樊春海中国科学院上海应用物理研究所物理生物学研究室界面物理与技术重点实验室上海201800 中国科学院大学北京100049 上海交通大学医学院分子医学研究院上海市核酸化学与纳米医学重点实验室上海200127 祥符实验室嘉善314102 上海交通大学化学化工学院转化医学研究院上海200240

分子机器是一种由分子构建的微型设备,在受到适当的刺激如光、温度、pH或电磁场时,它能够在分子水平上执行类似宏观机器的机械运动.然而,分子机器的研究仍面临着许多技术挑战,包括如何精确控制分子机器的运动,如何构建大规模的分子机器... 详细信息

分子机器是一种由分子构建的微型设备,在受到适当的刺激如光、温度、pH或电磁场时,它能够在分子水平上执行类似宏观机器的机械运动.然而,分子机器的研究仍面临着许多技术挑战,包括如何精确控制分子机器的运动,如何构建大规模的分子机器系统等.作为有潜力的分子自组装技术,利用DNA纳米技术可以构建复杂的刺激响应纳米机器并精确调控其在分子水平的运动.本文中,我们简单介绍了DNA纳米技术的组装原理,综述了响应DNA链置换、光、热、pH和电场等不同类型刺激的核酸框架分子机器,并探讨了它们在药物递送、构建三维等离子体光学器件以及作为生物分子标尺等方面的应用.

关键词：分子机器核酸框架 DNA链置换药物递送等离子体光学器件

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低维半导体微纳激光研究进展

中国激光 2024年第11期51卷 454-473页

作者：董红星常浩高新宇刘靓成浩东李欣洁于珂中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室上海201800 国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院浙江杭州310024

半导体微纳激光是纳米技术与纳米光子学交叉研究的前沿领域之一。利用光波长量级的光学谐振腔在光泵浦或电激励下实现激光输出,具有物理尺寸小、可高度集成、低阈值以及低功耗等优点。在未来光子器件、光学集成、光通信以及激光显示等... 详细信息

半导体微纳激光是纳米技术与纳米光子学交叉研究的前沿领域之一。利用光波长量级的光学谐振腔在光泵浦或电激励下实现激光输出,具有物理尺寸小、可高度集成、低阈值以及低功耗等优点。在未来光子器件、光学集成、光通信以及激光显示等领域具有广泛的应用前景。探讨了低维半导体微纳激光领域所取得的成果与研究进展,并对基于新型钙钛矿材料的微纳激光研究进行了总结概述,最后对低维微纳激光的发展前景进行了展望。

关键词：光学谐振腔钙钛矿材料微纳激光超快光学片上集成

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Co基赫斯勒合金研究进展

稀有金属材料与工程 2024年第5期53卷 1471-1485页

作者：许铭扬李明华张垚刘沛桥李阔王东伟于广华北京科技大学材料科学与工程学院材料物理与化学系北京100083 中国科学院纳米标准与检测重点实验室国家纳米科学中心北京100190

Co基赫斯勒合金是一类具有高度有序晶体结构的金属间化合物,其化学组成常用Co2XY表示,其中X为过渡金属元素,Y为主族元素。相比于其他材料,它具有更高的自旋极化率、更高的居里温度以及更低的阻尼因子。基于这些优良特性使得Co基赫斯勒... 详细信息

Co基赫斯勒合金是一类具有高度有序晶体结构的金属间化合物,其化学组成常用Co2XY表示,其中X为过渡金属元素,Y为主族元素。相比于其他材料,它具有更高的自旋极化率、更高的居里温度以及更低的阻尼因子。基于这些优良特性使得Co基赫斯勒合金在自旋阀、隧道结及半导体自旋场效应管等自旋电子学器件中具有巨大的应用前景。本文回顾了近年来国际上关于Co基赫斯勒合金在垂直磁各向异性和自旋轨道转矩上的研究,从合金成分、微观结构、磁性层的厚度、缓冲层的材料、氧化物层的材料、元素扩散等方面总结了垂直磁各向异性和自旋轨道转矩的影响因素。对垂直磁各向异性和自旋轨道转矩的影响因素的总结有助于更好地理解其深层物理机制以及在未来研究中的挑战与前景。

关键词： Co基赫斯勒合金垂直磁各向异性自旋轨道转矩影响因素

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金属纳米图案对钙钛矿电池的光学增强

物理学报 2024年第16期73卷 209-216页

作者：韩非江舟王晨周华沈向前新疆大学物理科学与技术学院新疆固态物理与器件重点实验室乌鲁木齐830046 山东大学物理学院济南250100 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200240

表面等离激元共振(SPR)是调控太阳电池光谱响应、增强能量转换效率的重要策略之一.但对于平面异质型的钙钛矿电池,由于各功能层厚度对金属纳米结构的尺寸限制,SPR的响应波段通常被束缚在很窄的可见光区域,且共振能量的消散以外层电子的... 详细信息

表面等离激元共振(SPR)是调控太阳电池光谱响应、增强能量转换效率的重要策略之一.但对于平面异质型的钙钛矿电池,由于各功能层厚度对金属纳米结构的尺寸限制,SPR的响应波段通常被束缚在很窄的可见光区域,且共振能量的消散以外层电子的热吸收为主.本文基于时域有限差分方法(FDTD)和严格耦合波分析(RCWA),系统研究了不同金属图案的SPR图谱.结果表明,通过对图案形状、厚度、周期等特征参数的优化,可以在近红外区域观察到明显的SPR现象,同时散射在消光中占据主导地位.对于最优的金属圆环,SPR峰值对应的波长为772 nm,此时相对吸收、散射和消光截面分别为0.54,1.39和1.93,钙钛矿响应层在700-850 nm之间的加权平均吸收从53.61%提升到65.36%.相应器件的光生电流密度从20.39 mA/cm^2增至22.72 mA/cm^2,光电转换效率相对提升了11.45%.

关键词：金属纳米图案等离激元共振钙钛矿电池转换效率

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面向高性能计算的低温芯片技术:发展和挑战

中国科学：信息科学 2024年第1期54卷 88-101页

作者：程然李博王宗巍张结印单伟伟张建军蔡一茂韩根全浙江大学微纳电子学院杭州311200 西安电子科技大学杭州研究院杭州311231 北京大学集成电路学院北京100871 松山湖材料实验室半导体异质材料与器件中心东莞523808 东南大学集成电路学院南京211189 中国科学院物理研究所纳米物理与器件重点实验室北京100190

过去60多年,集成电路技术的进步推动了电子信息领域的快速发展.随着工艺制程进入纳米阶段,通过微缩化技术进一步提升器件和电路的性能需要克服技术和成本方面的多重挑战.探寻新的器件、设计和架构技术是高性能计算领域解决当下瓶颈的必... 详细信息

过去60多年,集成电路技术的进步推动了电子信息领域的快速发展.随着工艺制程进入纳米阶段,通过微缩化技术进一步提升器件和电路的性能需要克服技术和成本方面的多重挑战.探寻新的器件、设计和架构技术是高性能计算领域解决当下瓶颈的必然路径.低温芯片技术,利用晶体管低温下电学性能的提升,可以进一步提高逻辑芯片的算力并降低动态和静态功耗,由于和现有集成电路技术兼容性较高,是低成本实现更高性能计算的理想技术路线之一.此外,随着量子计算技术的发展,可扩展的大规模量子芯片需要和极低温互补金属氧化物半导体CMOS电路以及存储芯片实现片上集成,进而实现更高效的数据处理.本文面向高性能计算应用,从器件表征、模型、仿真和设计、应用等多个层面,分析并总结了低温芯片技术领域的发展历程、理论基础和技术挑战,并给出针对性的解决方案和建议,有助于推动我国在低温芯片技术领域的持续发展.

关键词：低温芯片低温电子学低温PDK 高性能计算量子计算

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高速垂直腔面发射激光器热管理研究进展

激光与光电子学进展 2024年第15期61卷 14-22页

作者：孙家辉田思聪 Ahamed Mansoor 王宇昊潘绍驰徐汉阳佟存柱王立军 Dieter Bimberg 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Bimberg中德绿色光子学研究中心吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室吉林长春130033 柏林工业大学固体物理研究所纳米光学中心德国柏林D-10623

垂直腔面发射激光器(VCSEL)与并行光传输、光互连等领域的数据传输需求相契合,能够应用于单通道和并行光互联网络,是宽带以太网、高速数据通信中关键的光电子器件。而热效应严重限制了VCSEL的带宽等高速调制性能并影响输出的稳定性,通... 详细信息

垂直腔面发射激光器(VCSEL)与并行光传输、光互连等领域的数据传输需求相契合,能够应用于单通道和并行光互联网络,是宽带以太网、高速数据通信中关键的光电子器件。而热效应严重限制了VCSEL的带宽等高速调制性能并影响输出的稳定性,通过优化电流分布、调整氧化孔径、减薄衬底、使用高热导率的材料、键合热沉等方式有助于VCSEL的热耗散。本文综述了VCSEL热管理等方面的研究进展,这对于提升其高速调制性能至关重要,最后介绍了本课题组最新设计的具有高效散热结构的高速多孔孔径VCSEL。

关键词：高速垂直腔面发射激光器多孔孔径垂直腔面发射激光器热效应调制带宽传输速率

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单纳米粒子表面的甲醇电催化氧化过程

Chinese Journal of Catalysis 2024年第2期57卷 59-67页

作者：周湘淇李丽丽王俊刚李展波邵希吉程付鹏张林娟王建强 Akhil Jaing 林涛静超中国科学院上海应用物理研究所中国科学院微观界面物理与探测重点实验室中国上海201800 上海应用技术大学化学与环境工程学院中国上海201418 深圳技术大学新材料与新能源学院中国广东深圳518118 山东大学晶体材料国家重点实验室晶体材料研究院中国山东济南250100 湖南师范大学化学化工学院化学生物学及中药分析教育部重点实验室中国湖南长沙410081 韶关学院智能工程学院物理系中国广东韶关512005 诺丁汉大学药学院再生医学与细胞诊疗生物电子实验室英国诺丁汉中国科学院大学中国北京100049

由于全球资源短缺和环境污染等问题日益加剧,开发利用洁净高效的新能源已成为当今社会研究热点.其中,直接甲醇燃料电池(DMFC)具有低温启动、无需重整制氢、洁净环保和体积小巧等特性,展现出较好的应用前景.DMFC的阳极反应为甲醇氧化反应... 详细信息

由于全球资源短缺和环境污染等问题日益加剧,开发利用洁净高效的新能源已成为当今社会研究热点.其中,直接甲醇燃料电池(DMFC)具有低温启动、无需重整制氢、洁净环保和体积小巧等特性,展现出较好的应用前景.DMFC的阳极反应为甲醇氧化反应,甲醇的完全氧化涉及到复杂的六步电子转移反应过程.揭示甲醇氧化的反应路径与机理,阐明催化剂的真实活性中心以及毒化效应,对于高效催化剂的设计和制备至关重要.随着纳米技术的发展,在单颗粒水平对纳米催化剂进行表征受到了越来越多的关注.因此,亟需发展具有高灵敏度的原位界面表征方法,实现纳米尺度的精准测量,排除催化剂平均效应,获取纳米表界面真实的催化反应信息.本文结合纳米等离子共振散射光谱与电化学技术,获得了单个纳米催化剂的同步光电响应信号,实现单颗粒水平纳米粒子表面化学、电化学反应过程(如电荷转移、分子吸附等)的高灵敏监测,揭示纳米尺度表界面催化反应机制.利用这一技术,动态监测了单个金/铂包金纳米颗粒表面的甲醇氧化过程.结果表明,在金纳米颗粒表面,甲醇氧化主要通过HCOOH路径,生成产物为HCOOH或CO_(2).其中,反应中间体与羟基离子的竞争性吸附起到重要作用,反应决速步为Au-OH和Au-CHO的共吸附.而铂催化甲醇氧化主要经过CO路径,决速步为Pt-OH和Pt-CO氧化生成Pt-COOH过程.此外,观测到金和铂氢氧化物为催化反应的活性物种,进一步证实了金属氧化物对于催化活性的钝化作用.结合密度泛函理论模拟,明确了甲醇氧化反应中间体吸附与金属氢氧化物演变之间的内在联系.综上,本文利用纳米等离子共振散射光谱,原位监测了单个纳米粒子表面的甲醇电催化氧化过程,实现了催化剂真实活性物种演变与失活过程的直接观测,揭示了不同催化剂表面的决速步骤,为提高催化反应效率提供了更加准确的反应信息.本文将有益于纳米等离子共振散射光谱在电催化反应高灵敏监测方面的广泛应用,并为高效甲醇催化剂的制备提供参考.

关键词：单个纳米粒子检测暗场显微镜等离子体共振散射光谱甲醇氧化反应纳米电化学

基于机器学习和第一性原理计算的Janus材料的预测

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物理学报 2024年

作者：张桥谭薇宁勇祺聂国政蔡孟秋王俊年朱慧平赵宇清湖南科技大学物理与电子科学学院智能传感器与新型传感器材料湖南省重点实验室湖南大学物理与微电子科学学院中国科学院微电子研究所硅器件中心重点实验室中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室

寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构—磁斯格明子（magnetic skyrmion)，是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键.磁性斯格明子根据其拓扑产生机制，可以由非中心对称结构诱导的DMI(Dzyalosh... 详细信息

寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构—磁斯格明子（magnetic skyrmion)，是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键.磁性斯格明子根据其拓扑产生机制，可以由非中心对称结构诱导的DMI(Dzyaloshinskii–Moriya Interaction)作用项产生.二维Janus结构具有两个不同面的原子层，可以形成垂直内建电场，打破中心空间反演对称性.因此寻找具有本征磁性的二维Janus材料是研究新型磁存储的基础.本文基于晶体材料数据库Materials Project中的1179种六角晶系ABC型Janus材料数据,以其元素组分信息为特征描述符,构建了随机森林,梯度提升决策树,极端梯度提升和极端随机树等四种机器学习模型,基于上述模型对晶格常数、形成能和磁矩分类进行了预测,并采用十折交叉验证法对模型进行了评估.梯度提升决策树在磁矩分类预测显示出最高的精度和泛化能力.最后,基于上述模型对尚未发现的82018种二维Janus材料进行了预测，筛选得到4024种具有热稳定性的高磁矩结构，并基于第一性原理的方法对其中随机抽样的13种高磁矩结构进行了计算验证.本研究为二维Janus材料磁矩分类和高通量筛选训练了有效的机器学习模型,加速了二维Janus结构磁性的探索.

关键词：机器学习二维Janus材料磁矩第一性原理计算

基于超快太赫兹散射型扫描近场光学显微镜的自旋电子太赫兹发射光谱技术（特邀）

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激光与光电子学进展 2024年第3期 268-277页

作者：王家琦代明聪马一航王有为张子建才家华陈鹏万蔡华韩秀峰吴晓君北京航空航天大学电子信息工程学院电子科技大学物理学院中国科学院物理研究所张江实验室

基于自旋电子材料的太赫兹（THz）发射器具有高效率、超宽带、低成本、易集成等许多独特优势，不仅能够应用在高重复频率激光振荡器驱动的THz时域光谱仪上，而且在高能飞秒激光放大器驱动下能够产生强场THz电磁脉冲，在THz谱学成像、强... 详细信息

基于自旋电子材料的太赫兹（THz）发射器具有高效率、超宽带、低成本、易集成等许多独特优势，不仅能够应用在高重复频率激光振荡器驱动的THz时域光谱仪上，而且在高能飞秒激光放大器驱动下能够产生强场THz电磁脉冲，在THz谱学成像、强场THz物理等方面已展现出重要的应用价值。然而，以往基于自旋电子产生THz电磁波的辐射机理和器件研制方面的工作均基于远场THz时域光谱技术，得到的结果是对泵浦激光光斑作用面积的THz发射信息的平均，无法给出材料在微纳尺度上的超快自旋电流以及THz发射性能方面的有用信息。本工作采用光纤飞秒激光器驱动的超快THz散射型扫描近场光学显微成像技术，研究了铁磁异质结材料钨/钴铁硼/铂（W/CoFeB/Pt）在纳米空间尺度下的自旋电子太赫兹发射性能，在横向百纳米尺度上获得了高信噪比的自旋电子THz发射，为纳米空间分辨上实现THz频率的超快自旋电流的产生、探测、操控等提供了新方法，对超快THz自旋光电子学的发展有一定的参考价值。

关键词：太赫兹辐射自旋电子散射型扫描近场光学显微镜太赫兹自旋电流