铜纳米线阵列

自然界中的生物视觉系统因其多样化的功能引人注目，尤其是具有非凡视觉能力的复眼系统，如宽阔的视场角和强大的运动跟踪能力，在机器视觉的实际应用中具有巨大的潜力。当前制造复眼系统通常采用可变形电子技术，然而该技术面临包括全局形变的复杂性、应力稳定性、几何限制、以及光学组件与探测器单元之间不匹配的潜在问题，因此开发一体化的人工复眼系统并将其集成到自主平台如机器人或无人机上实现特定的视觉功能极具挑战性。近期，香港科技大学范智勇教授团队开发了一种独特的针孔复眼（PHCE）系统，该系统集成了3D打印的蜂窝状光学结构和半球形的全固态高密度钙钛矿纳米线（PNA）光电探测器阵列。这种无透镜的针孔结构（PHA）可以根据底层图像传感器的需求，设计制备出任意布局。该团队通过对比光学模拟和成像结果验证了该视觉系统的关键特性和功能，包括超宽视场、精准的目标定位和运动跟踪能力。该团队进一步演示了PHCE系统在无人机上的功能集成，使其能够跟踪地面上的四足机器人。这种独特的空中-地面协作机器人互动展示了PHCE系统在未来多机器人协作和机器人群技术开发中的潜在应用前景。相关工作以“An ultrawide field-of-view pinhole compound eye using hemispherical nanowire array for robot vision”为题发表于国际顶级学术期刊《Science Robotics》，并当选当月封面文章。香港科技大学电子与计算机工程系博士后周宇、孙梽博和博士研究生丁宇宬为文章共同第一作者，香港科技大学电子与计算机工程系讲席教授范智勇为文章通讯作者。该工作得到了香港研究资助局项目、粤港澳联合实验室项目、科学探索奖以及中银香港科技创新奖的大力支持。图1. PHCE及其集成组件的示意图和图像。(A)PHCE整体结构示意图。(B)PHCE系统的剖视图。(C)半球形多孔氧化铝膜中钙钛矿纳米线的横截面电镜图像和宏观照片。(D)强盗蝇眼的宏观照片。(E)安装在印刷电路板上的PHCE系统的侧视照片。(F)相邻针孔单元的横截面示意图。(G) 不同小眼间角下针孔像素数量与整体视场角的相对关系。(H)单个针孔和针孔阵列角度依赖的归一化强度分布。要点：研究者受到昆虫（例如强盗蝇）复眼独特几何结构的启发，设计了蜂窝状的针孔阵列，通过光学计算和模拟仿真优化了有限像素数下的接受角Δφ、小眼间角ΔΦ，确定了对应针孔的最佳长度直径比，可以消除相邻小眼之间的盲区并减少光效率损失。研究者使用摩方精密面投影微立体（PμSL）光刻3D打印技术（nanoArch P140，精度：10 μm）制备了对应几何参数的针孔阵列，并与半球壳的凸面共形，原料为光敏树脂。由于高打印自由度和简化的结构，上述针孔阵列的参数可以很好地设计和协调，以满足对应图像传感器的需求。图2. 钙钛矿纳米线光电探测器的性能。(A)多孔氧化铝膜中不同钙钛矿纳米线的光致发光光谱。(B)不同组分钙钛矿纳米线的X射线衍射光谱。(C)单像素纳米线光电探测器各部分能级关系。(D)单像素探测器的时间依赖开/关光响应。(E)单像素光电探测器的光强依赖光电流密度和响应度。(F)未封装单像素光电探测器的工作稳定性。要点：钙钛矿纳米线是在氧化铝纳米通道内以铅纳米线作为前驱体之一生长的，未完全消耗的铅与钙钛矿形成接触，在除去基底后，通过热蒸镀的方式制备凹球面的铟电极，研究者使用PμSL 3D打印技术制备了与半球壳凹面共形的掩膜版。氧化铝多孔结构为钙钛矿材料提供了天然的封装，提高了器件的工作性能。通过调节钙钛矿中的卤素和金属元素，PNA光电探测器感测区域可以从可见拓展到近红外。在弱光下，探测器的响应度可达到2.9 A/W，随着光照强度的增加，光电流增加而响应度减小。此外，未封装的器件在常规环境中存放 10 个月后，仍保持超过80%的原始光电流数值。图3. PHCE系统的成像能力。(A)测量装置的示意图。(B)半球形成像系统的视场测量。(C)捕获的圆形图案图像。(D)捕获的十字和三角图案图像。要点：研究者集成了由121个小眼构成的单目复眼系统，半球形的几何结构赋予整个系统约140°的大视场角。PHCE系统能够在广阔的视场内成像。由聚光灯生成的圆形、十字和三角图案可以被PHCE系统准确捕获并成功识别。上述实验成像效果与模拟仿真结果高度吻合。图4. PHCE系统的目标定位和无人机运动跟踪。(A)包含两个 PHCE 的双目视觉系统照片。(B)双目视觉系统的工作原理。(C)在3D空间中移动点光源的空间位置和生成的移动路径。(D)无人机运动跟踪的工作原理。(E)安装在无人机上的PHCE照片。(F)-(H)光源和无人机移动期间的相对位置照片以及由无人机上的PHCE捕获的相应图像。要点：为了精确定位点光源在3D空间移动轨迹，研究者进一步构建了基于一对PHCE（分别具有37个小眼）的双目复眼系统，其中两个PHCE之间的角度固定为60°，整体视场增加到220°。双目系统可将整个区域可以分为三部分，即盲区、运动检测区和精确定位区。双目复眼捕获运动光源在不同位置的图像，研究者可以解析这些位置并重建其在3D空间中的运动轨迹。由于PHCE系统出色的角度选择性，研究者进一步将其安装在可编程的商业无人机上，实现了对载有点光源的四足机器人运动的实时定位和追踪。综上所述，受到昆虫复眼系统的启发，研究者设计并制造了一种独特的针孔复眼系统，具有广阔的视场、精确的目标定位和动态运动跟踪能力。通过进一步改进和技术升级，包括缩小设备尺寸、增加小眼数量、提高成像分辨率和响应速度，该复眼系统有望实现在智能光电传感和机器人技术领域的广泛应用。

在最新一期的Nano Letters上(Nano Lett., 2011, 11 (9), pp 3974–3978, DOI:10.1021/nl202303y)，中科院上海微系统与信息技术研究所王跃林/李铁课题组与上海应用物理研究所樊春海课题组以快报形式报导了他们在超高灵敏硅纳米线DNA传感器方面的合作研究进展。　　研究人员在传统半导体加工技术的基础上，利用硅材料自身的工艺选择性，基于自上而下方法发展了硅纳米线加工技术，并实现了纳米级尺寸的精确控制。硅纳米线不但宽度可以达到20纳米，而且其三角形截面具有更大的比表面积，有利于器件性能的提高，为批量制备高检测灵敏度的阵列FET生物传感器迈出了坚实的一步。　　通过对硅纳米线进行硅烷化修饰、表面单分子膜层自组装以及单链DNA探针的固定，他们研制的DNA传感器成功实现了对低至1 fM 的DNA靶标分子的响应，这是目前已报导的最灵敏的基于硅纳米线FET的DNA传感器。　　这种DNA传感器还可以实现对单碱基错配的分析和对多种病原DNA序列的同时检测。

有电的地方就会产生热量，而这正是缩小电子设备的一个主要障碍。一个改变游戏规则的发现，可以通过传导更多的热量来加速计算机处理器的发展进程。TEM图像显示涂有二氧化硅（SiO2）的 28Si 纳米线。来源：Matthew R. Jones 和 Muhua Sun/莱斯大学科学家们已经验证了一种硅同位素（28Si）纳米线新材料，其热导率比先进芯片技术中使用的传统硅材料高出150%。这种超薄硅纳米线器件可以使更小、更快的微电子技术成为可能，其热传导效率超过了现有技术。由有效散热的微芯片驱动的电子器件反过来会消耗更少的能源——这一改进可以减轻燃烧富含碳的化石燃料产生的能源消耗，这种能源消耗导致了全球变暖。“通过克服硅导热能力的天然局限性，我们的发现解决了微芯片工程中的一个障碍，”报道此新研究成果的科学家 Junqiao Wu 说（课题组主页，https://wu.mse.berkeley.edu）。Wu 是加州大学伯克利分校材料科学系的一名教师科学家和材料科学与工程教授。01热量在硅中缓缓流动我们使用的电子产品相对便宜，因为硅 - 计算机芯片的首选材料 - 既便宜又丰富。可是，尽管硅是电的良导体，当它被缩小到非常小的尺寸时，它就不是热的良导体——而当涉及到快速计算时，这对微小的微芯片来说却是一个巨大问题。艺术家对微芯片的渲染。来源：dmitriy-orlovskiy/Shutterstock每个微芯片中都有数百亿个硅晶体管，它们引导电子进出存储单元，将数据比特编码为1和0，即计算机的二进制语言。电流在这些辛勤工作的晶体管之间流动，而这些电流不可避免地会产生热量。热量会自然地从热的物体流向冷的物体。但是热流在硅中变得很棘手。在自然形式中，硅由三种不同的同位素组成 - 化学元素的形式，其原子核中含有相同数量的质子，但中子数量不同（因此质量不同）。大约 92% 的硅由同位素 28Si 组成，它有14个质子和14个中子；大约 5% 是 29Si，有14个质子和15个中子；只有 3% 是 30Si，相对重量级为14个质子和16个中子，合作者 Joel Ager 解释道，他拥有 Berkelry Lab（伯克利实验室）材料科学部门的高级科学家头衔，也是 UC Berkeley（加州大学伯克利分校）材料科学与工程的兼职教授。左起：Wu Junqiao 和 Joel Ager。来源：Thor Swift/伯克利实验室 Joel Ager 的照片由加州大学伯克利分校提供作为声子，携带热量的原子振动波，在蜿蜒穿过硅的晶体结构时，当它们撞击 29Si 或 30Si 时方向会发生改变，它们不同的原子质量“混淆”声子，减慢它们的速度。“声子最终看到了这个表象，并找到了通往冷端以冷却硅材料的方法，”但这种间接的路径允许废热积聚，这反过来又会减慢您的计算机速度，Ager 说。02迈向更快、更密集的微电子学的一大步几十年来，研究人员推测，由纯 28Si 制成的芯片将克服硅的导热极限，从而提高更小、更密集的微电子器件的处理速度。但是，将硅提纯成单一同位素需要付出高昂的代价和能量水平，很少有设施可以满足 - 更没有哪家工厂能专门制造市场上可用的同位素材料，Ager 说。幸运的是，2000年代初的一个国际项目使 Ager 和杰出的半导体材料专家 Eugene Haller 能够从前苏联时代的同位素制造厂采购四氟化硅气体 - 同位素纯化硅的原料。（Haller 于1984年创立了伯克利实验室的美国能源部资助的电子材料项目，并曾是伯克利实验室材料科学部门的高级科学家和加州大学伯克利分校材料科学和矿物工程教授。）这直接导致了一系列开创性的实验研究，包括 2006 年发表在《自然》杂志上的一项成果，其中 Ager 和 Haller 将 28Si 塑造成单晶，他们用它来证明量子存储器将信息存储为量子比特或量子位，单位存储的数据同时作为 1 和 0 的电子自旋。99.92% 28Si 晶体的光学图像，伯克利实验室科学家 Junqiao Wu 和他的团队使用这种材料制备纳米线。来源：Junqiao Wu/伯克利实验室随后，用 Ager 和 Haller 提纯的硅同位素材料制成的半导体薄膜和单晶显示出比天然硅高 10%的热导率——这是一个进步，但从计算机工业的角度来看，可能不足以证明花一千多倍的钱用同位素纯硅制造一台计算机是合理的，Ager 说。但 Ager 知道，硅同位素材料在量子计算之外具有的科学重要性。因此，他把剩下的东西存放在伯克利实验室一个安全的地方，以备其他科学家可能的不时之需，因为他推断，很少有人有资源制造甚至购买到同位素纯硅。03用 28Si 实现更酷的技术之路大约三年前，Wu 和他的研究生 Ci Penghong 试图找到提高硅芯片传热速率的新方法。制造更高效晶体管的其中一项策略，涉及使用一种称为环栅场效应晶体管（Gate-All-Around Field Effect Transistor，GAAFET）的技术。在这些器件中，硅纳米线堆叠以导电，并同时产生热量，Wu 解释到。“如果产生的热量不能迅速排出，该器件将停止工作，这就像在没有疏散地图的高楼中发出火灾警报一样，”他说。FinFET（鳍式场效应晶体管）和环栅场效应晶体管（GAAFET）结构示意图。来源：Applied Materials但硅纳米线的热传递甚至更糟，因为它们粗糙的表面 - 化学处理的疤痕 - 更容易分散或“混淆”声子，他解释说。由硅纳米线桥接的两个悬浮垫组成的微器件的光学图像。来源：Junqiao Wu/伯克利实验室“然后有一天我们想知道，如果我们用同位素纯 28Si 制造纳米线会发生什么？”Wu 说。硅同位素不是人们可以在公开市场上能够轻松购买到的东西，有消息称，Ager 仍然在伯克利实验室储存了一些少量的硅同位素晶体，且仍然足以分享。“希望有人对如何使用它有一个很好的想法，” Ager 说，“如 Junqiao 的新研究就是一个很好的例证。”04纳米测试后的惊人大揭秘“我们真的很幸运，Joel 碰巧已经准备好了同位素富集的硅材料，正好可用于这项研究，”Wu 说。利用 Ager 提供的硅同位素材料，Wu 研究团队测试了 1 mm 尺寸的 28Si 晶体与天然硅的导热性 - 他们的实验再次证实了 Ager 和他的合作者几年前的发现 - 块状 28Si 的导热性仅比天然硅好 10%。尽管块状晶体硅具有相对较高的热导率（室温下 κ∼144 W/mK），但当其尺寸减小到亚微米范围时，由于声子显著的边界散射，κ 会受到强烈抑制。60 K 条件下，115 nm 尺寸的硅纳米线，κ~16 W/mK, DOI: 10.1063/1.1616981；300 K 条件下，31-50 nm 尺寸的硅纳米线，κ~8 W/mK，DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.105501。现在进行纳米级别测试。Ci 使用一种化学蚀刻技术制造了直径仅为 90 nm（十亿分之一米）的天然硅和 28Si 纳米线 - 大约比一根人类头发细1000倍。为了测量热导率，Ci 将单根纳米线悬浮于两个装有铂电极和温度计的微加热器垫之间，然后向电极施加电流以在一个垫上产生热量，然后通过纳米线流向另一个垫。“我们预计，使用同位素纯材料进行纳米线的热传导研究结果只会有 20% 的增量效益，” Wu 说。但 Ci 的测量结果让他们都感到惊讶。28Si 纳米线的热导率提高不是 10% 甚至 20%，而是比具有相同直径和表面粗糙度的天然硅纳米线好 150%。这大大的超出了他们的预期，Wu 说。纳米线粗糙的表面通常会减慢声子的速度，那这是怎么回事呢？莱斯大学（Rice University）的 Matthew R. Jones 和 Muhua Sun 捕获的材料高分辨率 TEM（透射电子显微镜）图像发现了第一条线索：28Si 纳米线表面上的玻璃状二氧化硅层（SiO2）。而纳米线导热性研究的知名专家 Zlatan Aksamija 领导的马萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）研究团队计算模拟实验表明，同位素“缺陷”（29Si 和 30Si 的不存在）阻止了声子逃逸到表面，其中 SiO2 层会大大减慢声子的速度。这反过来又使声子沿着热流方向保持在轨道上 - 因此在 28Si 纳米线的“核心”内不那么“混淆”。（Aksamija 目前是犹他大学（theUniversity of Utah）材料科学与工程副教授。）“这真的出乎意料。发现了两个独立的声子阻断机制 - 表面和同位素，以前被认为彼此独立的 - 现在协同作用，这使我们在热传导研究中获得了非常令人惊讶的结果，却也非常令人满意，“Wu 说。“Junqiao 和团队发现了一种新的物理现象，”Ager 说，“对于好奇心驱动的科学研究来说，这是一个真正的胜利。这真的是太令人兴奋了。”研究小组接下来计划将他们的发现推进到下一个阶段：研究如何“控制，而不仅仅是测量这些材料的热传导性能”，Wu Junqiao 说。莱斯大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校、深圳大学和清华大学的研究人员参与了研究工作。这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。原文信息Giant Isotope Effect of Thermal Conductivity in Silicon Nanowires，Penghong Ci, Muhua Sun, Meenakshi Upadhyaya, Houfu Song, Lei Jin, Bo Sun, Matthew R. Jones, Joel W. Ager, Zlatan Aksamija, and Junqiao Wu，Phys. Rev. Lett. 128, 085901 (2022)https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.085901

有序Nafion阵列因其在降低催化剂载量、提高燃料电池性能方面的巨大潜力引起了人们的广泛关注。目前，有序Nafion阵列的尺寸已经从最初的微米级减小到现在的亚微米级，纳米尺寸的有序Nafion阵列成为其发展的必然趋势。这主要是因为有序Nafion阵列尺寸的减小能够带来三个方面的提升：高的阵列密度提供更多的质子传递通道，高的比表面积提高催化剂的利用率，催化层与扩散层更多的接触位点减小界面传递阻力。但是，纳米尺寸有序Nafion阵列较低的机械强度给其制备以及应用都带来了极大的困难（图1）。近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员周小春、崔义，大连理工大学教授宋玉江等在ACS Nano上发表了高比表面积、纳米尺寸有序Nafion阵列提高燃料电池性能、降低Pt催化剂载量的研究。相较于已经报道的制备方法，该工作创新地通过Nafion乳液溶剂、Nafion阵列热退火温度，以及Nafion阵列剥离方式三个方面的研究实现了纳米尺寸有序Nafion阵列的制备（图2）。研究人员使用DMSO作为Nafion乳液溶剂，并在140℃下进行热退火处理，显著提高了纳米尺寸有序Nafion阵列的机械强度，其机械强度高达17.5 MPa，并高于商业Nafion 212的11.9 MPa。进一步，边缘刻蚀的方式避免了纳米尺寸有序Nafion阵列剥离过程中大量氢气的产生与聚集，以及较高氢气压力对于Nafion阵列的破坏和Nafion膜的穿孔。该研究成功制备了高机械强度、形貌完好的纳米尺寸有序Nafion阵列（图3）。成功制备的纳米尺寸有序Nafion阵列的直径仅为40 nm（D40），密度高达2.7×1010柱/cm2，远高于文献中已经报道的Nafion阵列的密度。高密度的Nafion阵列提供了丰富的质子传递通道，有利于催化层内质子传递阻力的降低。其次，比表面积高达51.5 cm2/cm2，为催化剂的负载提供了较大的比表面积，有利于催化剂利用率的提高（图4）。此外，纳米尺寸有序Nafion阵列的尺寸优势在燃料电池上得到了很好的证明。有序Nafion阵列作为阳极一侧时，相较于尺寸更大的D400（400 nm）、D100（100nm），D40峰值功率密度最高，高达1.47 W/cm2（图5），与此同时，催化剂载量仅为17.6 μgPt/cm2。此外，D40用于阴极一侧，在61.0 μgPt /cm2的载量下，峰值功率密度可以达到1.29 W/cm2。与已经报道的文献相比，纳米尺寸有序Nafion阵列无论应用于阳极一侧还是阴极一侧，均能够在较低的催化剂载量下获得较高的峰值功率密度。此外，该工作还为电解水和电合成催化层的合理设计提供指导。相关研究工作得到国家重点研发计划、中国博士后基金、苏州市碳达峰碳中和科技支撑重点专项等项目资助。图1 有序Nafion阵列尺寸的发展趋势、尺寸优势以及纳米尺寸有序Nafion阵列的制备挑战图2 该研究中纳米尺寸有序Nafion阵列的制备流程与已报道的制备流程的对比图3 纳米尺寸有序Nafion阵列制备流程的影响图4 有序Nafion阵列尺寸与Nafion阵列密度、比表面积的关系图5 纳米尺寸有序Nafion阵列在燃料电池中的应用

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纳米与界面催化研究组(502组)包信和院士、傅强研究员和宁艳晓副研究员团队在负载纳米团簇催化剂的结构控制和微观表征方面取得新进展，利用金属—氧化物相互作用调控金属纳米团簇的尺寸与稳定性，揭示了载体氧化物表面氧原子p-带中心可用于定量描述金属—氧化物界面作用。负载纳米团簇在许多催化反应中表现出高活性、高选择性以及高原子利用率，基于原子规整的模型催化剂和原子可视的表面表征方法可以对纳米团簇的稳定机制和催化作用提供微观理解。在前期研究中，该团队发现单层分散、亚稳态、高活性氧化物纳米结构可以在贵金属表面稳定，并提出界面限域催化概念(Science，2010；Acc. Chem. Res.，2013；JPCC，2015；ACS Nano，2017)。近期，团队进一步揭示了金属表面和环境气氛对氧化物纳米结构动态变化的协同限域效应(PNAS，2022)。在本工作中，研究人员在FeO/Pt(111)和FeO2-x/Pt(111)表面上构建了结构规整的金属(Cu、Ce等)单原子和纳米团簇阵列结构。对这些团簇结构的选择性落位以及热稳定性研究发现，氧化物载体表面氧原子活性决定了金属原子与氧化物的作用强度。基于理论研究发现，可以利用表面氧原子p带中心来描述表面氧活性，并与Cu在氧化物上相互作用强度实现很好的关联。据此，团队提出了表面氧原子p带中心可以作为金属—氧化物相互作用的定量描述符。相关研究成果以“Periodic Arrays of Metal Nanoclusters on Ultrathin Fe-Oxide Films Modulated by Metal-Oxide Interactions”为题，发表在JACS Au上。该工作的第一作者是中国科学院大连化学物理研究所502组博士研究生罗序达。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划等项目的资助。

近日，北京科技大学材料科学与工程学院张跃教授研究团队指导的博士生李培峰在一维纳米材料在各种场下的服役方面的研究取得新进展，并以第一作者身份在《Nano Letters》(影响因子12.94)和《ACS Applied Materials and Interfaces》(影响因子5.90)分别发表论文一篇。　　在张跃教授的指导下，李培峰与中科院物理所的合作者利用原位TEM机械共振，研究了ZnO微/纳米线在高周应变下的疲劳行为。系统研了ZnO微/纳米线的弹性模量随直径的变化以及ZnO微/纳米线共振振幅在阻尼效应作用下随共振时间及周次衰减的区别。ZnO微/纳米线经过108&minus 109周次共振都显示了良好的疲劳性能，而遭受电子束辐照10 min后的ZnO纳米线共振几秒后即发生断裂，这在国际上尚属首次发现。　　研究结果为我们设计、构建、优化及应用基于ZnO纳米材料的力电纳米器件提供了有益的指导，也为工作在紫外光、X射线下的纳米材料及器件的安全服役提供了参考。　　另外，李培峰还利用自己实验室搭建的纳米操控系统研究了ZnO纳米线在电场中的服役行为。研究发现ZnO纳米线电致损伤的阈值电压随直径的增大呈线性增大，而电流密度随直径的增大呈指数减小。并提出了热核-壳模型对ZnO纳米线的电致损伤机制进行解释。纳米材料电致损伤研究对指导光电、力电和压电纳米器件的实际应用是非常有必要的。　　此外一系列利用AFM研究ZnO纳米线在力场及力电耦合场中的服役行为的研究结果尚未公开发表。

本文授权转载自：清华大学头条新闻，转载请联系出处。10月2日，清华大学化学工程系魏飞教授团队在《自然通讯》（Nature Communications）上在线发表题为“超纯半导体性碳纳米管的速率选择生长”（Rate selected growth of the ultrapure semiconducting carbon nanotube arrays）的论文。该论文研究指出，碳纳米管在生长过程中的原子组装速率与其带隙相互锁定，金属管数量随长度的指数衰减速率比半导体管高出数量级，在长度达到154mm后可实现99.9999%超长半导体管阵列的一步法制备，这一方法为制备结构完美、高纯半导体管水平阵列这一世界性难题提供了一项全新的技术路线，对新一代碳基电子材料的可控制备具有重要价值。研究背景随着信息技术的高速发展，半导体芯片已成为数字经济和国家安全的重要基础。近年来，以硅基材料为核心的摩尔定律即将走到终点，在众多替代材料中，碳纳米管凭借纳米级尺寸和优异的电子空穴高迁移率成为新一代芯片电子的理想候选材料。美国国防高级研究计划局宣布投资15亿美元推进“电子复兴计划”，用于开发微型化、高性能碳纳米管芯片。斯坦福大学和麻省理工学院相继研发出碳纳米管计算机和基于1.4万个碳纳米管晶体管构筑的16位微处理器，充分展现了碳纳米管在后硅时代的发展潜力。我国在碳纳米管电子器件及材料制备的工程应用领域具有显著优势，特别是在单根碳纳米管晶体管无掺杂制备及小碳纳米管器件领域做出了众多原创性贡献。在碳纳米管宏量制备领域，也已率先实现世界高、千吨级产量聚团状和垂直阵列状碳纳米管的批量制备，并在动力电池领域规模化应用。然而，碳纳米管的结构缺陷、手性结构控制仍然是制约高性能碳基芯片应用的关键问题。研究过程基于以上问题，魏飞教授团队专注结构完美超长碳纳米管的研发10余年，发现超长碳纳米管在分米级长度上的结构一致性，率先制备出世界上长的550mm碳纳米管，并验证了碳纳米管的数量随长度呈现指数衰减的Schulz-Flory分布规律。进一步研究发现，金属和半导体管的数量也各自满足Schulz-Flory分布，但半导体管的半衰期长度是金属管的10倍以上。拉曼散射、瑞利散射光学表征及同位素标记的生长速度测试表明，金属与半导体管的半衰期长度差异源于碳纳米管自身带隙锁定的生长速度。缩小非均相催化中外扩散与毒化过程的活化能差异，从而提高碳纳米管的长度，是实现具有窄带隙分布的半导体管阵列可控制备的关键。据此，该团队设计层流方形反应器，精准控制气流场和温度场并优化恒温区结构，将催化剂失活几率降至百亿分之一，成功实现了超长水平阵列碳纳米管在7片4英寸硅晶圆表面的大面积生长，长长度650mm，单位反应位点转化数达到1.53×106 s-1。用154mm处的碳纳米管阵列作为沟道材料制作的晶体管器件，开关比为108，迁移率4000cm2/Vs以上，电流密度14A/m，展现了超长碳纳米管在阵列水平的优异电学性能。高纯度半导体性碳纳米管阵列的速率选择生长研究结果这种利用带隙锁定生长速度实现高纯半导体管可控制备的方法，为原位自发提纯半导体材料提供了一种全新路线，为发展新一代高性能碳基集成电子器件奠定了坚实的基础。该工作是魏飞教授团队继实现半米长碳纳米管可控制备及原位卷绕成大面积、单手性碳纳米管线团后的又一创新性工作，为实现碳纳米管在高端电子产品及柔性电子器件中的应用，推动国家微电子行业发展提供了可行的路线。论文直达文章通讯作者为魏飞教授，作者为清华大学化工系2015级博士生朱振兴，芬兰阿尔托大学应用物理系博士后魏楠、清华大学微电子系许军教授及2016级博士生程为军、清华大学化工系王垚副教授、张如范助理教授、博士生申博渊、孙斯磊、高俊参与了该工作。本项研究工作受到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委及北京市科学技术委员会等项目的资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12519-5 点击查看更多往期精彩文章 严峻环境下的自救——探寻端气候下的生命存续 | 前沿应用【上篇】发现生命的轨迹——化石中的碳元素分析 | 前沿应用地底深处的生命探索——矿物中的化学反应分析 | 前沿应用【下篇】复旦巧用增强拉曼“识”雾霾 | 前沿用户报道瞪你一眼，就能“看透”你 | 用户动态青岛能源所实现毫秒级单细胞拉曼分选，"后液滴"设计功不可没|前沿用户报道表面增强共振拉曼光谱探究细胞色素c在活性界面上的电子转移新型荧光探针——细胞膜脂变化无所遁形!1+1≥3，AFM-Raman 材料表征新技术！——附新相关论文 免责说明HORIBA Scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者提供或互联网转载，文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有。HORIBA Scientific 发布及转载目的在于传递更多信息，以供读者阅读、自行参考及评述，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如果您认为本文存在侵权之处，请与我们取得联系，我们会及进行处理。HORIBA Scientific 力求数据严谨准确，如有任何失误失实，敬请读者不吝赐教批评指正。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。 HORIBA科学仪器事业部HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案，如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术，旗下Jobin Yvon光谱技术品牌创立于1819年，距今已有200年历史。如今，HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选，之后我们也将持续专注科研领域，致力于为全球用户提供更好的服务。点击下方“阅读原文”查看新闻。

p style="text-indent: 2em "无论手机、笔记本电脑、还是电动车辆都离不开锂离子电池，它是“点燃”我们日常生活的重要能源。然而近些年，锂离子电池却因为实实在在的着火事件而引起了舆论的关注。怎样才能开发出更为安全的电池呢？据科学家在ACS期刊的纳米板块发表的文章介绍，在电池中加入纳米线不仅可以提升电池的耐火性，同时也能提升电池其他方面的性能。/pp style="text-indent: 2em "在锂离子电池中，锂离子通过电解质往返穿梭于两电极之间，传统锂离子电池的电解质是盐和有机溶剂构成的液体，很容易蒸发，是造成火灾的隐患。因此，学者们将研究的重心转向了固态电解质。被提议担起固态电解质的“人选”有很多，然而这些物质大多或稳定性不够，或不能满足大规模生产的需要，二者不可得兼。这其中，聚合物电解质因其良好的稳定性、低成本和灵活性而被认为是担当固态电解质的潜力股，但是它的导电性和力学性能却较差，因此，科学家们通过添加一系列化合物来设法提升聚合物电解质的性能。陶新永和他的研发团队制备出的硼酸镁纳米线恰好就具有良好的力学性能和导电性，如果把硼酸镁纳米线加入到固态电解质中，是否电池也会被赋予相应的良好特性呢？陶新永的团队对此十分好奇。/pp style="text-indent: 2em "他们在固体电解质中混合了5、10、15、20重量百分比的硼酸镁纳米线并进行实验观察，发现硼酸镁纳米线确实可以提升电解质的导电性，这种提升与离子通过电解质的速度和数量息息相关，离子通过电解质的速度越快，快速通过的数量越多，电解质的导电性能就越好。此外，硼酸镁纳米线的添加还使得电解质能够承受更大的压力。研究团队还测试了加入硼酸镁纳米线后电解质的可燃性，发现它几乎不可燃烧。而由硼酸镁纳米线强化的固态电解质与阴阳极配对所构成的电池，在速率性能和循环容量上都比电解质中不含硼酸镁纳米线的电池有所提升。/p

近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员孟国文小组与美国西弗吉尼亚大学教授吴年强小组及技术生物与农业工程研究所研究员黄青小组合作，在银纳米棒簇有序阵列构筑及基于其表面增强拉曼散射(SERS)效应检测水中农药残留方面取得进展，相关成果以卷首插画论文发表在《先进材料》(Adv. Mater. 2016, 28, 4871-4876)上。　　拉曼散射光谱能够提供分子振动的指纹信息，是化学、生物、环境等领域中最具应用前景的分析技术之一。然而拉曼散射效应非常微弱，拉曼散射光强度约为入射光强度的10-6~10-9，所以需要利用贵金属纳米结构SERS基底来大幅度增强拉曼散射信号。对于理想的SERS基底，首先应具有高密度的“热点”(一般位于10nm的贵金属纳米结构间隙处，具有显著增强的局域电磁场)，从而保证其具有高sers灵敏度 其次，要求sers信号分布均匀一致，即信号可信度高。贵金属纳米棒簇拥有大量狭窄的缝隙，因而能够产生高密度的sers“热点” 并且纳米结构有序阵列具有优异的结构均一性，能够提供高的sers信号可重复性和可信度。因此，如果能够成功制备贵金属纳米棒簇有序阵列，将有望实现高灵敏度、高可信度sers检测。 p=""　　该团队副研究员朱储红利用多孔阳极氧化铝和单层胶体球构成的复合模板，采用电沉积法成功构筑了银纳米棒簇有序阵列。这种分级有序纳米结构阵列的SERS增强因子高达108，并具有较好的信号均匀性和重现性，其信号特征峰强度的相对标准偏差小于10%。时域有限差分法模拟结果表明，相邻纳米棒顶端之间约2纳米宽的间隙内，具有强电磁场耦合产生的“热点” 该有序阵列的高增强因子正是源于这些密集分布的“热点”。采用该SERS基底能够同时检测水中多种痕量农药，例如甲基对硫磷和2,4-二氯苯氧乙酸等。该工作为大面积、可重复制备高度有序的纳米棒簇阵列提供了一种低成本的简便方法。相关研究结果表明银纳米棒簇有序阵列在基于SERS效应检测水中农药残留方面具有重要的应用前景。　　相关工作得到国家重点基础研究发展计划、“中国科学院、国家外国专家局创新团队国际合作伙伴计划”和国家自然科学基金等项目的支持。　　文章链接　　图1. 卷首插画　　图2. 银纳米棒簇有序阵列同时检测水中的甲基对硫磷和2,4-二氯苯氧乙酸得到的SERS光谱。曲线I：水中0.3μ M甲基对硫磷和2μ M的2,4-二氯苯氧乙酸混合农药的SERS光谱 曲线II：0.3μ M甲基对硫磷的SERS光谱 曲线III：2μ M的2,4-二氯苯氧乙酸的SERS光谱。

Fig. 1: View of the SuperMaMa laboratory at the University of Vienna. The hanging gold-plated insert is the radiation shield behind which the superconducting nanowire detectors are installed. C: Quantennanophysik @ Universität Wien　　Fig. 2: Counting single proteins with a superconducting nanowire. The background and nanowire are altered in Photoshop with the Generative Fill AI. (Human Insulin PDB:3I40). C: CC BY-ND 4.0 Quantum Nanophysics University of Vienna.　　据奥地利维也纳大学(University of Vienna, Boltzmanngasse, Vienna, Austria.)2023年12月4日提供的消息，由维也纳大学量子物理学家马库斯阿恩特(Markus Arndt)领导的国际研究团队在蛋白质离子检测方面取得突破：超导纳米线探测器凭借其高能量灵敏度，实现了蛋白质离子检测的突破(Quantum physics: Superconducting Nanowires Detect Single Protein Ions)。几乎100%的量子效率，比传统离子探测器在低能量下的探测效率高出1000倍。与传统探测器相比，它们还可以通过冲击能量来区分大分子。这允许更灵敏地检测蛋白质，并提供质谱分析中的附加信息。这项研究的结果于2023年12月1日已经在在《科学进展》(Science Advances)杂志网站发表——Marcel Straus, Armin Shayeghi, Martin F. X. Mauser, Philipp Geyer, Tim Kostersitz, Julia Salapa, Olexandr Dobrovolskiy, Steven Daly, Jan Commandeur, Yong Hua, Valentin Köhler, Marcel Mayor, Jad Benserhir, Claudio Bruschini, Edoardo Charbon, Mario Castaneda, Monique Gevers, Ronan Gourgues, Nima Kalhor, Andreas Fognini, Markus Arndt. Highly sensitive single molecule detection of macromolecule ion beams. Science Advances, 1 Dec 2023, Vol 9, Issue 48. DOI: 10.1126/sciadv.adj2801. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj2801　　参与此项研究的除了来自维也纳大学的研究人员之外，还有来自奥地利科学院(Austrian Academy of Sciences, Boltzmanngasse, Vienna, Austria)、荷兰MSVision(MSVision, Televisieweg 40, 1322 AM Almere, The Netherlands)、荷兰单量子(Single Quantum, Rotterdamseweg 394, 2629 HH, Delft, The Netherlands) 瑞士巴塞尔大学(University of Basel, St. Johannsring 19, CH-4056 Basel, Switzerland)以及瑞士洛桑联邦理工学院(école Polytechnique Fédérale de Lausanne简称EPFL, Rue de la Maladière 71b, CH-2002 Neuchatel, Switzerland)的研究人员。　　大分子的检测、识别和分析在生命科学的许多领域都很有趣，包括蛋白质研究、诊断和分析。质谱法通常用作检测系统即一种通常根据带电粒子(离子)的质荷比分离带电粒子(离子)并测量检测器生成的信号强度的方法。这提供了有关不同类型离子的相对丰度的信息，从而提供了样品组成的信息。然而，传统探测器只能对具有高冲击能量的粒子实现高探测效率和空间分辨率——这一限制现已被使用超导纳米线探测器的国际研究团队克服。　　低能粒子的合力(Joined forces for low energy particles)　　在当前的研究中，由维也纳大学与代尔夫特的单量子、EPFL、MSVision和巴塞尔大学的合作伙伴协调的欧洲联盟首次展示了超导纳米线的使用所谓的四极杆质谱(quadrupole mass spectrometry)中蛋白质束的优秀检测器。待分析样品中的离子被送入四极杆质谱仪并进行过滤。“如果我们现在使用超导纳米线而不是传统探测器，我们甚至可以识别以低动能撞击探测器的粒子，”维也纳大学物理学院量子纳米物理小组(Quantum Nanophysics Group at the Faculty of Physics at the University of Vienna)的项目负责人马库斯阿恩特 (Markus Arndt) 解释道。这是通过纳米线探测器的特殊材料特性(超导性)实现的。　　借助超导技术实现这一目标(Getting there with superconductivity)　　这种检测方法的关键是纳米线在非常低的温度下进入超导状态，在这种状态下它们失去电阻并允许无损电流流动。进入离子对超导纳米线的激发导致返回到正常导电状态(量子跃迁)。在此转变期间纳米线电特性的变化被解释为检测信号。“通过我们使用的纳米线探测器，”第一作者马塞尔 施特劳斯(Marcel Strauß / Marcel Straus)说，“我们利用了从超导到正常导电状态的量子跃迁，因此可以比传统离子探测器性能高出三个数量级。” 事实上，纳米线探测器在极低的冲击能量下具有显著的量子产率-并重新定义了传统探测器的可能性：“此外，配备这种量子传感器的质谱仪不仅可以根据分子的质量到电荷状态来区分分子，还可以根据分子的动能对它们进行分类。这改善了检测并提供了更好的空间分辨率的可能性，”马塞尔施特劳斯说道。纳米线探测器可以在质谱、分子光谱、分子偏转或分子量子干涉测量中找到新的应用，这些领域需要高效率和良好的分辨率，特别是在低冲击能量下。图 2(Fig. 2)是用超导纳米线计数单个蛋白质。　　团队和资金(Team & Funding)　　单量子(Single Quantum)领导超导纳米线探测器的研究，洛桑联邦理工学院的专家提供超冷电子学，MSVISION 是质谱专家，巴塞尔大学的专家负责化学合成和蛋白质功能化。维也纳大学将所有组件与其在量子光学、分子束和超导性方面的专业知识结合在一起。　　本研究得到了戈登和贝蒂摩尔基金会 (Gordon and Betty Moore Foundation: 10771)、欧盟地平线2020框架计划(European Union’s Horizon 2020 Framework Programme: 860713 and 777222)的资助。　　上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。　　Abstract　　The analysis of proteins in the gas phase benefits from detectors that exhibit high efficiency and precise spatial resolution. Although modern secondary electron multipliers already address numerous analytical requirements, additional methods are desired for macromolecules at energies lower than currently used in post-acceleration detection. Previous studies have proven the sensitivity of superconducting detectors to high-energy particles in time-of-flight mass spectrometry. Here, we demonstrate that superconducting nanowire detectors are exceptionally well suited for quadrupole mass spectrometry and exhibit an outstanding quantum yield at low-impact energies. At energies as low as 100 eV, the sensitivity of these detectors surpasses conventional ion detectors by three orders of magnitude, and they offer the possibility to discriminate molecules by their impact energy and charge. We demonstrate three developments with these compact and sensitive devices, the recording of 2D ion beam profiles, photochemistry experiments in the gas phase, and advanced cryogenic electronics to pave the way toward highly integrated detectors.文章来源：科学网 诸平

中科院化学所光化学院重点实验室的科研人员利用有机纳米光子学材料，实现了高效化学气体传感，相关成果发表在近期出版的国际期刊《先进材料》杂志上，并被作为即将出版的《先进光学材料》的内封面文章重点介绍。　　据了解，光波导传感器具有普通传感器无法比拟的灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、便于集成等优点，在气体与生物传感中扮演着越来越重要的角色。　　中科院化学所光化学院重点实验室的研究人员近年来一直致力于低维有机光子学方面的研究，围绕光子学集成器件中所需要的光波导、微纳光源、光子路由器等开展了一系列探索工作。　　近来，他们又在有机纳米材料电化学荧光转换方面取得突破，相关工作证实了低维有机材料在纳米光子学领域的巨大潜力，为实现有机纳米光子学传感器件奠定了基础。　　最近，在国家自然科学基金委、科技部和中科院的支持下，科研人员在前期工作的基础上，通过超分子自组装方法制备出二元有机复合纳米带，利用荧光共振能量转移中受体的杠杆效应，制备出高效的酸碱气体传感器。他们进一步将有机金属配合物的单晶纳米线引入电化学发光传感体系，实现了对生物分子多巴胺的高效、灵敏检测，相关工作发表在《先进材料》杂志上。　　在此基础上，研究人员与活体分析化学实验室合作，制备出有机核/壳纳米结构作为光波导传感器，利用核壳之间的消逝波耦合，有效地放大了波导材料对气体的响应，从而实现了对H2O2气体的快速、高灵敏、高选择性的原位检测。

表面声子极化激元(SPhPs)是由红外光和光学声子之间的耦合产生的，被预测有助于沿极性薄膜和纳米线的热传导。然而，迄今为止的实验工作表明SPhPs的贡献非常有限。近日，美国范德比尔特大学Deyu Li教授研究团队通过测量没有覆盖Au金属层和覆盖了Au金属层的3C-SiC纳米线的样品的热导率，成功证实了SPhPs对其热导率大小的影响。由SPhPs的预衰减所引起的热传导增加甚至超过了兰道尔基于玻色-爱因斯坦分布所预测极限的两个数量级。这进一步揭示了SPhPs对材料热导率的显著影响，也打开了通过SPhPs调节固体中的能量传输的大门。文章以《Remarkable heat conduction mediated by non-equilibrium phonon polaritons 》为题，发表于Nature 期刊上。 本文中，研究者通过分辨率优于10 nm的近场光学显微镜对其手中的两类纳米线进行了表征。其中S1为缺陷较小的纳米线，而S2则为层错较多的纳米线。通过对纳米线进行865 cm-1中红外激光的赝外差成像（SNOM），研究者成功获得了两类纳米线的纳米级相位成像。如下图所示，在层错较多的Sample S2中，SPhPs的传播衰减非常迅速。而在结构缺陷较少的S1， 这种衰减则要小得多。Sample S1： Sample S2： 随后，作者通过将德国Neaspec公司的散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR联用，沿下图图a中的箭头方向对S1采集了610 - 1400 cm-1波数范围内的光谱。这一范围已经包括了3C-SiC纳米线全部的剩余射线谱带。其中对TO 和 LO 频率的较强振幅反馈和这种反馈沿箭头方向的衰减进一步证明了SPhPs在S1中的存在。以上结果表明层错的存在是使其成为SPhPs散射的决定性因素，而这种因素与温度的变化并不相关，进一步证明了在S1中，SPhPs是导致热导率变化的决定性因素。 值得注意的是，为了测量SNOM和Nano-FTIR，两类纳米线都被放置在了300 nm厚的SiO2薄膜基底上，相比单独存在的纳米线，放在SiO2薄膜基底上的两类样品的SPhPs的传播距离都大大减小，而信号衰减速度大幅增加，这对设备采集信号的信噪比和光学成像的空间分辨率都提出了更高的要求。 文中使用的散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR能够在10 nm的空间分辨率下实现对材料的红外光谱表征，且得到的光谱能与传统FTIR，ATR-IR的红外光谱一一对应。同时，该技术具有无损伤、无需染色标记、快速且适用性广等优点，为本实验的红外及光学成像等研究起到了关键性作用。 neaspec散射式近场光学显微镜（s-SNOM）及纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR 综上所述，通过使用Neaspec近场光学显微镜，研究者建立并证明了SPhPs传播和材料热导率变化的关联性。也为将来通过SPhPs调节固体材料的热传导提供了可能性。这种调节可以在很多薄膜材料中抵消尺寸效应并改进固态器件的设计。参考文献：[1]. Pan, Z., Lu, G., Li, X. et al. Remarkable heat conduction mediated by non-equilibrium phonon polaritons. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06598-0

在国家自然科学基金纳米科技重大研究计划的重点项目等支持下，湖南大学教授邹炳锁领导的纳米光子学小组与美国亚利桑那州立大学教授宁存政领导的纳米光子学小组合作，成功演示了调谐范围从500到700纳米范围调谐的半导体激光芯片，创下了一个新的纳米线激光器调谐范围的世界纪录。相关文章发表在最近一期的《美国化学会杂志》上。　　宽调谐的半导体激光器拥有许多从光谱技术、光通讯，到芯片原位的生物或分子检测的用途。但实现这样的激光器一直很困难，主要是外延生长的半导体微结构的晶格失配有限，不能大幅度成分调节，因而对半导体带边影响有限，而发光受制于半导体的带边，因此无法实现大范围调谐。邹炳锁领导的纳米光子学小组成员潘安练采用一维纳米结构生长技术，可以将晶格失配大部分驰豫掉或全部消除，这样，可能得到大范围成分调节的半导体纳米线或带。　　纳米线沿一个方向布满整个基片，成分均匀变化，可以看到一个连续颜色可变的激光发射带。除了激射外，这样的合金半导体还可能在光伏太阳能电池、分子和生物检测等方面得到很大应用。　　邹炳锁领导的团队近年一直致力于一维半导体纳米结构光子学研究，并在国内率先开展纳米线光波导和纳米激光器等方面的研究，处于国内领先和国际先进水平，在多功能半导体纳米结构光子学的研究上取得了多项重要的研究成果。如潘安练、邹炳锁等教授首次合成发光颜色可以在可见光波段可调的半导体合金纳米带和纳米线，率先实现光在纳米线内长程(百微米量级)光波导，实现了硫化镉纳米线常温下的受激发射现象等。小组成员陈克求教授、王玲玲教授等对一维波导理论的研究也取得了重要成果。该小组已有多篇论文在国际著名学术期刊上发表。

p　　江汉大学曹元成教授团队与英国兰开斯特大学半导体中心首席研究员庄乾东博士团队合作研发新材料，可大幅提高红外探测灵敏度。4月10日，英国自然网站在线发表了他们撰写《基于柔性石墨基板铟砷纳米线红外光探测器》，该文将全文刊登在本月晚些时候出版的《自然》子刊《科学报道》。/pp　　曹元成介绍，铟砷纳米线作为高光电转换效率材料，是科学家们研究的主要对象，尤其是基于碳的铟砷一维纳米线，是高集成度光电子集成电路的研究热点。然而，上述材料在制备过程中，晶体结构容易产生缺陷，导致这类材料对光的响应效率低下或者无响应，特别是在中长红外波段方面尤其明显。/pp　　曹元成团队在砷化铟中掺入锑元素，合成一种新的锑掺杂砷化铟纳米线，大幅降低了铟砷纳米线的结构缺陷，同时通过锑元素的自我催化功能，显著提升新物质对红外光子的响应性。曹元成说，这种纳米线对光的响应波长，达到了5.1微米，从而涵盖整个中红外光谱，是目前最长的红外波响应纳米线，可应用于室温下高效工作的中波红外、长波红外光电探测器、红外发射器、高灵敏度光电晶体管等等，是制造各种光电子设备的理想材料。/pp　　据了解，上述研究应用于实践，比如导弹红外探测和夜视仪，可以在目前的基础上，提高50%探测灵敏度，让现有的大部分防红外伪装失效，民用方面则更加广泛。/p

受科技部国际合作司委托，湖北省科技厅于6月27日组织专家组在武汉召开了由武汉理工大学承担的国家国际科技合作重点专项“高性能纳米线钒系锂离子动力电池联合研发”项目验收会。验收会技术验收由复旦大学赵东元院士主持，来自全国各地7位专家参加了验收。　　该项目面向清洁高效能源的可持续发展，通过与哈佛大学开展合作，建成了单次百公斤级纳米线钒系正极材料中试线和自动化电子生产线，完成了纳米线钒系动力电池的装配和装车实验，进行了电动汽车示范运行，该项目依托武汉理工-哈佛大学纳米联合重点实验室和材料复合新技术国际联合研究中心，实现强强合作，发表高水平学术论文60余篇，申请国外发明专利2项、国内发明专利50余项，授权专利18项，培养人才30多人，对我国发展清洁高效能源系统产生了积极影响。

亚波长下光的调控与操纵对缩小光电器件的体积、能耗、集成度以及响应灵敏度有着重要意义。其中，外场驱动下由电子集体振荡形成的表面等离激元能将光局域在纳米尺度空间中，是实现亚波长光学传播与调控的有效途径之一。然而，表面等离激元技术应用的关键目标是同时实现：①高的空间局域性，②低的传播损耗，③具有可调控性。但是，由于金属表面等离激元空间局域性较小，在长波段损耗较大且无法电学调控限制了其实用化。可喜的是：近期，由中科院物理所和北京大学组成的研究团队报道了砷化铟（InAs）纳米线作为一种等离激元材料可同时满足以上三个要求。作者利用neaspec公司的近场光学显微镜（neaSNOM, s-SNOM）在纳米尺度对砷化铟纳米线表面等离激元进行近场成像并获得其色散关系。通过改变纳米线的直径以及周围介电环境，实现了对表面等离激元性质的调控，包括其波长、色散、局域因子以及传波损耗等。作者发现InAs纳米线表面等离激元展现出：①制备简易，②高局域性，③低的传波损耗，④具有可调控性，这为用于未来亚波长应用的新型等离子体电路提供了一个新的选择。该工作发表在高水平的Advanced Materials 杂志上。图1 neaspec超高分辨散射式近场光学显微镜neaSNOM图2 InAs纳米线中表面等离激元的红外近场成像研究a) s-SNOM实验测量示意图；b) InAs纳米线的AFM形貌图；c) InAs纳米线的红外（901 cm?1）近场光学成像；d) 相应的模拟结果；e) c和d相应区域的界面分析；f) InAs纳米线的红外（930 cm?1）近场光学成像；g) InAs纳米线的红外（950 cm?1）近场光学成像；h) InAs纳米线的红外（930 cm?1）近场光学成像。该研究小组通过neaspec公司的散射型近场光学显微镜（s-SNOM）配合901–985 cm?1可调谐中红外QCL激光器，采用neaspec公司具有的伪外差近场成像技术的neaSNOM近场光学显微镜，对约为104 nm长的InAs纳米线的表面等离激元进行了研究。从近场成像图（图2 c）中可以看出，在930 cm?1红外光及AFM探针的激发下，表面产生的等离激元沿InAs一维纳米线传播，并从纳米线边缘反射回来产生相应的驻波图形。另外，可以通过定量分析表面等离激元传播的相邻的两个节点（(λp/2）的空间距离来推断表面等离激元传播的波长（λp）。同时，作者也在不同的红外波长下（930, 950, 和985 cm?1,图2 f, g, h）对InAs纳米线的表面等离激元进行了纳米尺度近场光学成像研究，结果显示出相似的驻波图形。上述研究结果证实作者通过neaspec公司的散射型近场光学显微镜对InAs纳米线的近场成像研究成功观察到了InAs纳米线中的一维等离激元。该研究在通过s-SNOM红外近场光学显微镜展示了在InAs纳米线中等离激元的真实空间成像。作者的进一步研究表明其等离激元的波长以及它的阻尼都可以通过改变InAs纳米线的尺寸和选择不同基底来调控。研究显示半导体的InAs纳米线具有应用于小型光学电路和集成设备的巨大潜力。作者的发现开辟了一条设计与实现新型等离激元和纳米光子设备的新途径。同时，该研究也展示了neaspec公司的散射型近场光学显微镜在半导体一维或二维材料纳米光学研究中的广阔应用前景。截止目前为止，以neaspec稳定的产品性能和服务为支撑，通过neaspec国内用户不断的努力，neaspec国内用户2018年间发表了关于近场光学成像和光谱的文章共14篇：其中包括4 篇Advance Materials； Advance Functional Materials；Advance Science；Advanced Optical Materials和Nanoscale等。伴随更多的研究者信赖和选择neaspec近场和光谱相关产品， neaspec国内群的不断的持续增加，我们坚信neaspec国内用户将在2018年取得更加丰厚的研究成果。参考文献：Tunable Low Loss 1D Surface Plasmons in InAs Nanowires，Yixi Zhou, Runkun Chen, Jingyun Wang, Yisheng Huang, Ming Li, Yingjie Xing, Jiahua Duan, Jianjun Chen, James D. Farrell, H. Q. Xu, Jianing Chen， Adv. Mater. 2018, 1802551 https://doi.org/10.1002/adma.201802551相关产品及链接：1、 超高分辨散射式近场光学显微镜 neaSNOM：https://www.instrument.com.cn/netshow/C170040.htm2、 纳米傅里叶红外光谱仪nano-FTIR：https://www.instrument.com.cn/netshow/C194218.htm3、 太赫兹近场光学显微镜 THz-NeaSNOM：https://www.instrument.com.cn/netshow/C270098.htm

style type="text/css".TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }/stylestyle type="text/css".TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }/stylep　　超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已广泛应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技发展。/pp　　SNSPD器件主要有两种光耦合方式，一种是垂直光耦合方式，光纤端面平行于SNSPD光敏面，光子垂直入射到纳米线上，采用光学腔体或反射镜结构实现高效光耦合。利用该类耦合结构，中国科学院上海微系统与信息技术研究所已实现NbN基SNSPD系统探测效率超过90%，相关结果发表后受到国内外广泛关注。该光耦合结构的特点是，可以实现高光耦合效率，但受限于光耦合结构，工作波长范围受限。另一种光耦合方式是波导光耦合方式，将纳米线制备在光波导上，可实现高效的本征吸收。但光纤到波导的耦合效率较低，使这类器件仅能作为片上光子学的解决方案，无法作为独立单光子探测器使用。/pp　　上海微系统所/中国科学院超导电子学卓越创新中心尤立星研究员团队和浙江大学教授方伟、童利民团队合作，首次提出微纳光纤耦合的SNSPD器件结构。该结构将SNSPD器件置于微纳光纤的倏逝场内，实现纳米线对微纳光纤中传输的光子吸收。光学计算显示，该类结构有望实现高吸收效率的同时，保持很好地宽谱特性。经过上海微系统所巫博士君杰和浙江大学博士徐颖鑫等近3年实验探索，科研团队研制出微纳光纤耦合SNSPD器件。在1550nm/1064nm工作波长，系统探测效率分别达到20%/50%。相关成果近日发表在emOptics Express/em上，该结果有望在新型SNSPD器件及微纳光纤领域开辟新的研究方向。/pp　　研究工作得到了国家重点研发计划项目“高性能单光子探测技术”、中科院战略性先导科技专项（B）“超导电子器件应用基础研究”、自然科学基金以及上海市科委等的资助。/ppbr//pp style="text-align:center "img alt="" oldsrc="W020171213665024470514.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201712/uepic/bc478657-1ca0-4a06-a7b0-fc3659b0aeca.jpg"//pp style="text-align: center "微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器原理示意图/p

p　　武汉大学新闻网消息，近期，武汉大学物理科学与技术学院王建波教授课题组在氧化锌纳米线可逆结构相变研究中取得重要突破，实现了相变前后原子尺度结构变化的原位测定和基于第一性原理计算的机理理解。br//pp style="text-indent: 2em "11月19日，物理学顶级期刊Physical Review Letters(《物理评论快报》)在线发表了论文“Surface- and strain-mediated reversible phase transformation in quantum-confined ZnO nanowires”(《量子限域氧化锌纳米线中基于表面和应力效应的可逆相变》)。武汉大学物理科学技术学院、电子显微镜中心和高等研究院为第一署名单位及唯一通讯作者单位，物理科学与技术学院博士生赵培丽和高等研究院博士生管晓溪为论文共同第一作者，王建波教授、郑赫副教授为通讯作者。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 192px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/b6141e00-65f5-42f7-bccb-55a424c73a8f.jpg" title="0.jpg" alt="0.jpg" width="600" height="192" border="0" vspace="0"//pp　　氧化锌(ZnO)作为一种宽禁带半导体材料，由于其多态性和可调的电子光学性质，在量子点发光、自旋功能器件等核心技术领域具有广泛应用。但是当ZnO尺寸接近其激子玻尔半径(~2纳米)时，由于量子限域效应导致其晶体结构及光电性能的变化，可能引起器件失效。然而，相关理论计算和实验研究方面的机理研究一直存在较大分歧：尽管大量理论计算预测低维ZnO具有比纤锌矿(WZ)结构更稳定的类石墨结构(h-MgO)或体心四方结构(BCT)，但由于技术条件限制，实验上一直未予验证，同时其相变机理也还未完全厘清。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/7a5b7c13-f97a-4232-82d7-c501fe48b90c.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "ZnO纳米线中可逆结构相变过程的实验测定(a-f)和第一性原理计算(g)/spanbr//pp　　在前期相关工作的基础上(Nano Lett. 18: 4095 (2018) Phys. Rev. Mater. 2: 060402(R) (2018) ACS Appl. Energy Mater. 2: 7709 (2019) Microscopy 10.1093/jmicro/dfz038 (2019)(特邀综述))，王建波课题组通过原子尺度原位技术首次观察到低维 ZnO纳米线(宽度约为2纳米)在拉伸应力作用下从WZ到BCT再到h-MgO结构的原子尺度相变过程(如下图)。在应力撤去时，该相变过程是可逆的。进一步基于第一性原理计算，揭示了尺寸、表面及应力对低维ZnO结构稳定性的影响机理。研究结果为理解量子限域的低维ZnO中不同晶体结构的稳定性及其相变机理提供重要的实验依据和计算分析，可为实现相关体系的结构-性能调控提供参考。/pp　　该研究受到国家自然科学基金、湖北省自然科学基金及江苏省自然科学基金的项目资助。/pp style="text-indent: 2em "strong原文链接：/strong/pp style="text-indent: 2em "a href="https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.216101" target="_blank" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 176, 240) "https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.216101/span/a/pp style="text-align: right "内容参考自：武汉大学新闻网/p

p　　2月17日，Wiley集团出版社所属的材料类期刊Advanced Functional Materials 在线发表了由中国科学院新疆理化技术研究所微传感实验室研究员窦新存团队独立撰写的题为Emerging and Future Possible Strategies for Enhancing 1D Inorganic Nanomaterials-Based Electrical Sensors towards Explosives Vapors Detection 的综述文章。/pp　　爆炸物检测作为反恐防爆的重要措施正日益彰显出广阔的应用前景。爆炸物蒸气检测技术具有非接触、采样简单、可靠性高、性能优异、多功能集成、可以批量生产等优点，使爆炸物探测器实现小型化、低成本和高精度成为可能。一维无机纳米材料具有大的比表面积、量子限域效应、高的反应活性、突出的电学、光学与化学性质及各向异性等优点，并且其结构、性质调整可控。因此，一维无机纳米材料是构建爆炸物传感器的理想纳米单元。然而爆炸物检测领域面临着诸多挑战，例如生产工艺成本高、能耗大，材料组装和排布形成器件难度大，器件稳定性、重复性差等，灵敏度不够高，难以识别种类繁多的爆炸物等。/pp　　新疆理化所科研人员首先全面系统地总结和评述了2010年以来发表的基于一维无机纳米材料的爆炸物蒸气检测工作，并根据在增强电学传感器性能过程中使用的不同策略，将这些工作分为有序排布的阵列、表面修饰、光电增强、柔性设计、肖特基结以及传感器阵列构建几个方面。科研人员还提出了可应用在增强爆炸物检测的电学传感器性能上的策略和方法，包括垂直的阵列结构、一步构建的有序结构、“锁钥”设计、自驱动传感以及可转移和穿戴的传感器设计等。该综述文章通过总结典型的基于电学传感器的爆炸物蒸气检测工作，提炼出了先进可行的实验方法，并且在面对实验室工作与实际检测之间的差距时，提出了一些解决现有问题的可行性方案，同时提出了非制式爆炸物检测被忽视的问题，为未来基于电学传感器的爆炸物检测工作提供了新的研究思路和理论依据。/pp　　该实验室自2012年以来，长期从事微传感方面的研究，尤其致力于开拓爆炸物检测的新理论、新方法、新材料方面，取得了一系列重要成果，截至目前，已在Advanced Functional Materials, Advanced Optical Materials, Small, Nanoscale，Journal of Materials Chemistry，Journal of Physical Chemistry C 等国际期刊上发表10余篇学术论文，提出了肖特基结构建、过渡金属掺杂、缺陷态控制、晶面调控、光电催化检测等用于爆炸物检测的新思路。此次发表的专题综述文章同时对微传感实验室在该方面的科研成果进行了总结，例如利用插层调控肖特基结的势垒高度和吸附能来增强硅纳米线阵列/石墨烯的检测性能(Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 4039)，引入光照增强气敏检测的性能(Nanoscale 2013, 5, 10693)。/pp　　该工作得到国家自然科学基金、中科院“百人计划”、创新基金等项目的资助。/ppbr//p

为便于国内外科研学者交流新纳米结构研究成果，共同推动纳米加工学科和新技术的蓬勃发展。2017年6月23日， Quantum Design中国子公司与北京航空航天大学国际交叉科学研究院进行良好合作，在该院校微纳实验平台的基础上举办“NanoFrazor 3D纳米结构高速直写技术研讨会”，对国内外高端纳米加工技术展开详细介绍与讨论，同时就NanoFrazor Explore 3D纳米结构高速直写设备向国内各地课题组开放良好合作机会。 会议中，Quantum Design中国子公司在Swisslitho厂商及国际交叉科学研究院老师们的大力支持下，就微纳米加工技术，微纳器件制备与性能，MEMS/NEMS，光学/光子学等领域进行了现场学术交流，Swisslitho厂商技术指导在NanoFrazor纳米加工平台上现场演示了高通量光刻、纳米叠加等纳米加工工艺操作，毕加索名画及纳米线套刻工艺数秒呈现，引起了大家的大兴趣。 NanoFrazor Explore 3D纳米结构高速直写技术是一种真正意义上的纳米3D图形加工技术，可以实现多种材质的3D微纳结构加工，实现XY轴高10nm加工线宽和间距，1nm的Z向精度，广泛应用于微纳光子学，半导体器件，表面等离子激元，MEMS等研究领域，并取得多项突出研究成果。感谢北京航空航天大学国际交叉科学研究院对本次微纳研讨会成功举行提供的各项支持，期待这项IBM新研发技术能够帮助纳米直写领域的院校及老师们取得更加突出的科研成果！相关产品链接3D纳米结构高速直写机 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C226568.htm无掩模激光直写光刻系统 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C155920.htm

在基因测序领域，谁控制仪器，谁就会赢得天下，从ABI的3730测序仪到后来的illumina的测序仪，都可以证明这点，这个行业目前是由上游技术驱动的，对技术的依赖度很强。测序公司、诊断公司都加大对测序技术领域的投资，以期能在未来基因测序爆发时期，获得可观的市场份额。根据安永的最近一份报告显示，未来5年内，基因测序的仪器市场规模同基因测序服务基本相当。　　罗氏、illumina公司都加大对新技术的投资。2012年，Roche公司宣布基因测序仪454从测序市场退出时，就加紧在纳米测序技术领域的布局，先后投资了Genia Technologies公司和Stratos Genomics公司。illumina公司也早就盯上了纳米孔测序技术，是牛津Nanopore公司的主要股东之一。然而令illumina公司恼火的是，2013年10月，牛津Nanopore公司回购了illumina公司持有的13.5%股份，从而保持该公司更加独立运营，此次回购价值共超过5640万美元。　　纳米孔测序原理　　在A，T，G，C四种不同的脱氧核苷酸通过纳米孔进入的时候，其所引起的电流变化也是不一样的，随即可通过电流来检测DNA序列。双链DNA直径为2nm，单链DNA直径为1nm，所以采用的纳米孔尺寸有着近乎苛刻的要求。纳米孔：分为生物纳米孔和固体纳米孔，生物纳米孔：a溶血素(一般嵌入在双层脂膜当中)，最窄直径尺寸为1.5nm，可允许单链DNA分子通过。但是生物纳米孔对稳定性、电流、噪声等方面有很高的要求。固态纳米孔：由硅及其衍生物制造，通过电子束和离子束在硅或其他材料薄膜上钻出纳米尺度的孔洞。固态纳米孔在稳定性、电流噪声、工艺集成方面有着显著的优势，但是目前有技术瓶颈，以及造价高昂。　　固态纳米孔工艺　　固态纳米孔的制作与半导体工艺的结合使得DNA测序芯片的大规模生产成为可能. 2001年，Li等人使用聚焦离子束在 Si3N4 薄膜上制作出了直径61 nm 的孔，随后又采用 Ar将孔径缩小到了1.8nm。2003年， Storm等人用高能电子束在SiO2薄膜上制作出了直径2 nm的孔. 如今， 人们已经可以在很多材料上制作出亚 10 纳米尺度的固态纳米孔，例如，SiNx，SiO2，SiC，Al2O3等. 此外， 石墨烯因其本身超薄的结构和特殊的电子特性也作为薄膜材料的一种新选择，它的超薄的单原子层结构十分适合隧道电流的测量。　　纳米电极制作　　纳米电极的制作在测序用纳米孔制造工艺中也是一项重要的挑战。前文提到， 纳米电极的形状、与纳米孔重合度的好坏直接影响到电流信号的好坏， 因此要在纳米尺度制作出形状规则、 电学特性良好的电极并不容易。　　目前研究者们所做的工作都是在实验室中对单个纳米孔进行研究， 而无法将其运用到商业中. 到目前为止， 还没有办法能够快速制作出直径大小均一且都在5 nm以下的纳米孔阵列， 在DNA测序芯片向商业化转变的道路上， 这是必须解决的一个问题. 但是， 相信随着半导体制造工艺和纳米电子学的不断发展， 人们一定会制作出高质量的纳米孔芯片。　　产品：Minion　　由英国公司Oxford Nanopore开发设计MinION测序仪则拥有很长的读长，而且只有普通U盘大小，由一个传感器芯片，专用集成电路和一个完整的单分子感应测试所需的流控系统构成，可随身携带，理论上可实现想测就测。日前该测序仪已投入市场使用，或许未来它将基因测序仪变得如同手机一样普通、便捷、廉价。该技术被MIT Technology Review杂志评为&ldquo 2012年10大年度科技突破之一&rdquo 。但是其错误率很高，据称有35%的错误率，平均10个碱基，就有3.5个测序错误。这也意味着基因突变检测成为纳米孔测序的禁区，也成为纳米孔测序的致命弱点，并让其长读长的优势黯淡无光。　　面临挑战　　虽然纳米孔测序的优点十分明显，与前几代技术相比在成本、速度方面有着很大优势，但是目前还处在起步阶段，从测序原理到制造工艺都存在有许多问题，许多技术也都只停留在理论阶段。其面临的挑战主要是如下几个部分：　　电流检测系统：电流识别最短距离为3nm，而且目前的材料几乎很难寻找到孔径这么小的材料。　　纳米膜系统：限制目前的纳米孔大小，目前有关纳米孔制作方面仍有很大的阻力　　数据分析系统：即使很多人获取这些数据，但是对于数据的运行和分析仍旧存在很大障碍。　　主要纳米孔技术公司　　Base4, UK　　Fullgen, Argentina　　Genia, USA, California　　INanoBio, USA, Arizona　　Ionera, Germany　　Izon Science, New Zealand　　Nabsys, USA, Providence　　Nanion, Germany　　Nanopore, USA, New Mexico　　Noblegen Biosciences, USA, Massachusetts　　Oxford Nanopore Technologies, UK　　Quantapore, USA, California　　Quantum Biosystems, Japan　　中国从事相关技术研究学者　　龙亿涛　　华东理工大学，上海市曙光学者，&ldquo 东方学者&rdquo 特聘教授，研究方向纳米光谱电化学，纳米通道单分子分析，仿生界面等。　　赵清　　北京大学凝聚态所副教授，主要从事ZnO、AlN纳米线的制备、掺杂，表征，电学，光学，场致电子发射性能方面的研究。　　注：部分内容来自生物通和贺建奎博客

“据我了解，中国‘嫦娥五号’月球探测器上也配有小型光谱分析仪，除能分析月球常见的矿物组成，还具有研究矿物风化层水合作用的能力。其探测范围覆盖可见光到中红外光，并分别使用 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）光谱成像、铟镓砷探测器、碲镉汞探测器。而如果利用我们的纳米梁光谱仪，借助其扩展性和移植性，则有望大幅减少探测器种类和数目。除此之外，随着应用目标需求的变更，比如新的工作波段、更大波长范围等，都可通过类似的设计流程，对器件进行快速迭代，充分发挥纳米梁光谱仪的通用化、可定制、灵活性的优势。比如，对于老百姓来说，将来某天去水果摊只需手机扫一下，便可知道瓜是不是保熟。”对于课题组研发的纳米梁光谱仪，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授董建绩表示。图 | 董建绩（来源：董建绩）该纳米梁器件具有小尺寸、小模式体积、高 Q 值（衡量电感器件的主要参数）的突出优势，以及结构多样的可调性、对各种集成材料平台的兼容性等性能。除了用作光谱仪以外，它在作为满足集成光子技术发展需求的新型基本单元结构上，同样有较大的应用潜力。此前已经有人使用增益材料结合纳米梁谐振腔实现了室温下的连续激光器，还有人结合石墨烯等二维材料制作出高效的热光调制器。未来有望将这一器件应用到更多的场景，例如发光器件、电光调制器件、力学传感、气相探测等领域。从彩虹到纳米梁器件看似是一个硬件，其背后原理却要从美丽的彩虹说起。“虹”是一种常见的自然现象。通常雨后转晴时，阳光射到空中接近球型的小水滴，产生各种颜色的图谱即自然界的“光谱”。光谱最早是指自然界中的分光图案，后来拓展到整个电磁波段的辐射能量随波长或频率的分布。光谱仪是研究光辐射强度特性随频率变化的光学仪器，它将不同频率的光辐射按照一定规律分开，配合一系列机械、电子、计算机等系统，实现对光辐射的精密测定和研究。光谱分析在现代光学应用中有重要的作用，被广泛应用于工业生产、化学成分分析、环境监测、航天遥感等领域。传统的光谱仪存在结构组成复杂、占用体积大、价格昂贵等劣势，在很多要求便携式设备的应用场合存在限制。而光谱仪的小型化和集成化，可满足各种新兴光谱分析应用的低成本、小尺寸的需求，比如片上实验系统、细胞组织检测分析、乃至移动设备搭载光谱仪等，都是近年来的重要研究方向。一般的微型化光谱仪，都是通过将传统的大型台式光谱仪中的色散元件、或者滤波元件使用集成光子技术小型化后得到的。然而，常见的色散分光型和傅里叶变换型光谱仪，通常需要较长的衍射路径，才能积累足够的光程或光程差，从而分辨不同的光谱分量，故而难以兼得小尺寸和高精度。图 | 级联纳米梁光谱仪工作原理（来源：Optica）光谱计算重建（Computational reconstruction）方法，是近年来新兴的一种光谱仪实现方法。该方法通过计算机辅助计算重建算法，降低了对光谱分光或滤波的严格要求，促使了基于随机结构、量子点、单纳米线等新型光谱仪的涌现。计算重建方法，通过对入射光场和输出通道间的映射进行预先标定，再借助重建算法并使用计算机进行迭代求解线性方程组，从而求出输入光谱。这些基于计算重建方法的光谱仪方案，既具有简单的结构和紧凑的尺寸，同时又表现出更优异的特性。然而，现有方案存在无法根据需求扩展、不够灵活的缺点。例如，在材料加工和集成上，基于精细的材料工程、所获得的材料光谱响应渐变的方案，有着很高的复杂度，由此带来了高成本和低产率，这也导致其较难迁移到其他波段。此外，预校准传输响应也会影响光谱仪的准确率。也就是说，构造一系列具有高度正交性的传输谱，是提高重建光谱性能的关键。在此之前，该团队已经对光子晶体纳米梁谐振腔器件，建立了良好的研究基础和积累，比如应用到光开关[1]、高消光比滤波器[2]、通用模块化光谱仪[3]等。他们发现，纳米梁的传输谱经过热调谐后，可以构成一系列正交的基函数，并且纳米梁单元还具有易于级联扩展的特点，有望解决重建型光谱仪的性能限制问题。图 | 纳米梁单元的热调谐传输谱（来源：Optica）同时，有别于通过材料成分渐变结构获得的光谱仪，该方案是基于结构参数渐变，不仅对不同工作波段具有扩展性和移植性，而且制作工艺与标准 CMOS 工艺兼容，无需精细调节材料组份。因此，课题组将纳米梁谐振腔与计算重建算法相结合，得到了兼顾小尺寸、可扩展、高分辨率的级联纳米梁光谱仪。相比传统的窄带滤波型光谱仪，重建算法使得分辨率突破了谐振峰半高全宽的限制。而相对于其他重建型光谱仪，窄带响应提供了高正交性的预校准基函数，这进一步提高了性能。近日，相关论文以《具有高分辨率和可扩展性的级联纳米梁光谱仪》（Cascaded nanobeam spectrometer with high resolution and scalability ）为题，发表在 Optica（IF 11.1）上[4]，张佳晖担任第一作者，董建绩担任通讯作者。审稿人给予高度评价：“该工作提出的级联纳米梁光谱仪设计方案是非常新颖的，特别是提高了重建型光谱仪的测量分辨率。”并称赞纳米梁结构具有工作波段可扩展性，非常适合发表在 Optica 上。借“光”前行，成就新型光仪器事实上，该团队很早就注意到微型光谱仪这一领域的发展动态。2013 年，耶鲁大学团队就曾经提出一种基于随机结构的光谱仪[5]，成功实现了 0.5nm 窄峰和 0.75nm 间距双峰的重建。2015 年，清华大学、麻省理工学院、加州理工大学的研究人员发表了关于量子点光谱仪的论文[6]。2019 年，英国剑桥大学的学者在 Science 上发表了纳米线光谱仪的工作[7]。这些工作分别提出了不同种类的重建型光谱仪，也为此次研究开拓了思路。2021 年，加州大学圣地亚哥分校的团队提出一种基于分层波导的片上光谱仪，并证明滤波器的传输谱正交性对于提高分辨率是至关重要的[8]。这让董建绩更加深入地思考进一步突破微型化重建光谱仪性能限制的可能性。同时，该团队也注意到，现有的这些重建光谱仪方案使用的宽谱响应基函数存在难以根据实际需求扩展的问题。这一问题也启发了他们对纳米梁光谱仪的研究。本质来看，光子晶体纳米梁是一种一维光子晶体谐振腔，它呈现出和波导尺寸类似的狭窄条状梁。当沿着梁的方向刻蚀周期性的孔，孔中部会有破坏晶体周期性的缺陷。形成的缺陷模式光，会被周围的光子晶体结构约束，仅在缺陷附近形成小模式体积的光场，这就形成了光子晶体谐振腔。由于具有超小的模式体积，纳米梁被视为一种超小型的片上谐振器件，在集成化、微型化应用方面有重要价值，因此也非常适合用作小型化光谱仪的基本单元。图 | 纳米梁单元结构（来源：Optica）于此，该团队希望找到能有效提高分辨率的正交频谱响应，而纳米梁的传输谱完美地具备这个特性。同时，基于设计周期结构尺寸而获得的光子禁带的纳米梁谐振腔不仅易于级联，还可通过改变结构扩展波段，符合他们对可扩展性能的需要。因此，纳米梁是一个符合微型化光谱仪需求的合适器件。为了实现纳米梁光谱仪的设想，该团队制定了“三步走”的研究计划。第一步是空间光谱仪方案。他们将大量纳米梁阵列按照空间排布，通过对空间光进行采集获得不同的频谱响应，结合重建算法设计了空间光谱仪[3]。在这个阶段，课题组对纳米梁的加工工艺进行了探索，包括孔径、波导宽度的工艺误差对谐振性能的影响，为后续工作打好基础。第二步是片上集成化光谱仪方案。引入热调谐以实现超小尺寸，将纳米梁阵列转化为少量级联的单元，通过频率扫描的方式获得高精度测量[4]。研究中，该团队进行了一系列优化设计，还在纳米梁单元引入部分透过结构以实现 Fano 谐振增强，从而进一步提升性能。作为分辨率的表征，他们演示了 0.16nm 线宽的窄带信号以及 0.32nm 间距的双峰信号的重建，还展示了不对称双峰、多峰以及基于3通道级联单元工作的 16nm 宽带信号的重建。图 | 信号重建结果（来源：Optica）第三步是高度集成化光谱仪。“这是未来的目标，就是希望把光谱仪和光电探测器、电路高度集成，实现商用化的光谱分析模块。”董建绩表示。有望用于无人机勘察和宝石鉴定由于具有小尺寸和高性能的特点，级联纳米梁光谱仪有望在各类微型化、便携式需求的光谱分析中得到应用。比如，植被覆盖率是生态环境的重要指标之一。通过将便携式光谱仪集成到无人机上，即可采集目标区域的可见光遥感影像，并通过光谱分析地理类型，获得植被分布情况。不仅可应用于检测植物的物候状态，还可用于估算粮食产量、提供环境政策参考。另外，在宝石考古研究中，由于不同的成因，古代的玛瑙石具有不同的矿物组成、颜色机理、结构特点。而有些宝石出于文物保护价值，无法移动到实验室进行组分分析。便携式的光谱仪就可以很好地解决这个问题。通过对宝石内纤维结构、元素成分的光谱分析，还原出新的历史信息。再比如，蔬菜、水果等农产品的成熟度，对农业采摘、市场交易、长途运输等具有重要的意义，而成熟度较好的水果会在某些波段（通常是红外）具有特定的光谱特性。对于微型化光谱仪来说，它可利用这一特点检测水果是否成熟，甚至帮助量化采摘、销售、保存的最佳时间。某些水果的水分、糖含量、坚实度也可以反映在光谱特性中，这都可以通过便携式光谱仪设备进行检测，具有成本低、快速、方便的特点。此外，得益于纳米梁是一种能带工程器件，可充分发挥其可扩展、可移植的灵活性优势，组装成适用性更广泛的其他商业产品，有望应用在更多集成化、便携式的使用场景中。与人交谈一次，胜过闭门劳作未来，该团队主要有两方面打算。一方面希望实现集成片上功率探测的完整芯片化光谱分析系统，借此达成工程化应用，进一步开发出相关产品，实现一定的演示功能，并希望和有兴趣的公司开展合作。另一方面，在基础研究上，从不同的能带结构设计出发，开发出不同波段需求的光谱仪。董建绩表示，每当遇到实际问题或工作难点，大家总能集思广益、寻找办法。他说：“我常跟大家讲，与人沟通是提高自己的一种有效方式，是一个团队行稳致远的重要基石。沟通不仅体现在老师对学生的引导，还有学长与学弟的传承，更有成员与成员间的探讨。这个项目攻关历时 9 年，期间培养了 3 个博士生，而且攻关仍在继续。列夫托尔斯泰曾说过，‘与人交谈一次，往往比多年闭门劳作更能启发心智。’我想在今后的科研道路上，我们应当继续保持这种良好的习惯。”-End-参考文献：1、Opt. Lett. 45, 2363-2366 (2020)2、Opt. Lett. 46, 3873-3876 (2021)3、ACS Photonics 9, 74-81 (2022)4、Optica, 9(5), 517-521.(2022)5、Nature Photon 7, 746-751 (2013)6、Nature 523, 67-70 (2015)7、Science, 365, 1017-1020 (2019)8、Nat. Commun. 12, 2704 (2021)

作为一种新型的二维纳米材料，石墨烯以其独特的物理性质引起了极大的关注。和其它结构相比，石墨烯具有极高的电导率、热导率、及出色的机械强度 并且作为单原子平面二维晶体，石墨烯在高灵敏度检测领域具有独特的优势。然而目前人们对石墨烯与生物的界面却知之甚少，这一问题的研究对于石墨烯能否应用于生物电子学至关重要。　　国家纳米科学中心方英课题组和美国哈佛大学Lieber课题组合作首次成功制备了石墨烯与动物心肌细胞的人造突触。研究人员首先通过纳米加工技术得到高信噪比的石墨烯场效应晶体管集成芯片，进而在芯片表面培养鸡胚胎心脏细胞。研究发现，石墨烯和单个心肌细胞之间形成稳定接触，实现了对细胞电生理信号的高灵敏度、非侵入式检测。更重要的是，该研究第一次实现了通过门电势的偏置引起同一石墨烯器件n型和p型工作模式的转变，进而在细胞电生理过程中得到了相反极性的石墨烯电导信号，充分证明了测量生物信号的电学本质。另外，研究人员进一步比较了不同尺寸石墨烯生物传感器、石墨烯与硅纳米线集成传感体系对同一心肌细胞的检测，为发展高集成纳米生物传感阵列提供了理论指导和实验基础。　　该项工作建立了一维、二维纳米材料与细胞相结合的独特研究体系，将为生物电子学的研究带来新的机遇。相关结果已经发表在2010年3月的Nano Letters上(http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nl1002608,)，上述研究工作得到中国科学院院长特别基金和国家自然基金委面上项目的支持。

当前，在全球范围内科技与产业革新的浪潮中，信息光电子、激光加工、激光全息、光电传感等技术正在快速发展。光电产业与能源、信息、医疗等领域的结合和渗透也在加速，推动着新技术、新产品和新商业模式的不断涌现，全球光电产业的竞争格局经历重大重塑。据Market Research Future预测，到2032年，光电市场的规模将从2024年的381.9亿美元增长至845亿美元。预计在2024至2032年期间，该市场的年复合增长率为10.44%，其中光电子在多个不同领域的应用增加以及红外元件利用率的提高是促进市场增长的关键市场驱动力。随着光电子技术的进步和规模化生产，社会生产对光电子相关器件的需求日益增加，互联网与光电产业深度融合。作为高新技术产业基础的光电元件，正快速朝着微型化、精密化、轻薄化以及集成化的方向发展。然而，由于其发展历程相对较短，仍面临诸多挑战和问题需要逐步解决。其中，高能射线成像是一种利用高能射线（如X射线、伽马射线等）进行成像的技术，主要用于医学、工业检测、安全检查和科学研究等领域。但该技术受到的主要限制因素在于厚层闪烁体材料内部存在的自吸收和散射现象。近年来，钙钛矿纳米闪烁体已直接集成到电荷耦合器件中以实现X射线成像。然而，为了有效吸收高能射线，钙钛矿闪烁体层必须达到毫米至厘米的厚度。但由于横向光子散射和固有的自吸收，毫米厚度的钙钛矿闪烁体的光穿透和空间分辨率仍将受到限制。基于此，新加坡国立大学（NUS）化学系的刘小钢教授研究团队开发了一种用于提高射线成像性能的像素化双锥形光纤阵列。该阵列通过双锥面设计可以有效地吸收传递闪烁体层激发的光子，降低闪烁体材料内部的散射和自吸收，从而有效提高射线成像的空间分辨率和成像性能。相关成果以“A double-tapered fibre array for pixel-dense gamma-ray imaging”为题，发表在《Nature Photonics》期刊上。光纤可以增强光耦合，执行光信号传输，并实现具有低损耗接口的光子集成电路。此外，理论研究表明，锥形或双锥形光纤可以通过促进倏逝波在锥形区域的基模上的传播来充当高功率放大器。在这里，研究人员扩展了理论分析，并通过实验验证了使用柔性双锥形光纤阵列和钙钛矿纳米晶闪烁体实现高灵敏度伽马射线成像的可能性。图1. 用于定向光收集的透明双锥形光纤阵列的结构特性研究人员对光收集特性进行了表征，并优化了锥形光纤的几何形状，以最大限度地提高光收集效率和传输效率。研究团队通过成型和层压聚氨酯和有机硅弹性体制造双锥形纤维阵列，首先采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术制作出光纤阵列模具(nanoArch S130，精度：2μm)，并结合PDMS翻模技术得到双锥形纤维阵列。钙钛矿纳米晶充当闪烁体，通过测量其激发光谱对钙钛矿纳米晶进行表征，其表示作为波长的函数的相对发光强度。钙钛矿闪烁体表现出相对较小的斯托克斯位移和较高的量子产率，导致发射光子的大量重吸收。图2. 用于光子回收和高分辨率X射线成像的双锥形光纤阵列的光学特性双锥形光纤阵列系统的一个关键特征是它适用于发光穿透深度不足的所有情况，例如，具有上转换材料的近红外探测器、具有钙钛矿闪烁体的X射线或伽马射线探测器以及电激发发光二极管。通过将光纤阵列和钙钛矿纳米晶相结合，在实验中实现了输出信号增加了三倍，并通过4 mm厚的闪烁体层实现了6 MeV和10 MeV的伽马射线成像。伽马射线成像对于测量放射治疗、医学诊断和工业三维伽马射线断层扫描期间的皮肤剂量非常重要，因为这需要深度穿透。鉴于双锥形光纤阵列与硅技术的兼容性以及材料的可延展性，有望被大规模生产用于制造超灵敏光子探测器和用于高能辐射的大面积柔性成像设备，在仿复眼学、光场成像、生物分子传感、光学放大器以及发光二极管等领域也有着潜在应用。

论文题目：Spectral Tuning of Plasmonic Activity in 3D Nanostructures via High-Precision Nano-Printing发表期刊：Advanced Functional Materials IF: 19.924DOI: 10.1002/adfm.202310110【引言】 等离子体纳米颗粒由于具有特殊的光学特性被广泛应用于光电器件、化学和生物传感器等领域。若想调节纳米结构的等离子效应，则需要准确地制备出具有特定几何形状的3D纳米结构。目前，等离子纳米结构主要采用纳米颗粒或纳米颗粒阵列，通过纳米狭缝自组装法等手段，制备相应的等离子体纳米结构。可是，在制备等离子体纳米结构的过程中，由于受到了光刻等技术手段的限制，所制备的纳米结构多为2D平面结构。对于制备具有准确几何形状的3D等离子体纳米结构的相关研究尚属空白。【成果简介】 近日，格拉茨技术大学相关团队提出了基于聚焦电子束诱导沉积（Focused Electron Beam Induced Deposition，FEBID）方法制备具有准确纳米尺度3D几何结构的等离子体纳米结构。同时，作者通过FusionScope多功能显微镜和透射电镜（TEM）对相应的3D纳米结构进行了原位几何尺寸的表征。然后，使用扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱仪（STEM-EELS）对所制备的3D纳米结构的等离子性能进行表征。所测量的结果与相关模拟计算结果相比，两者结果相互吻合，证明了通过FEBID的方法制备3D等离子体纳米结构的可行性。相关工作以《Spectral Tuning of Plasmonic Activity in 3D Nanostructures via High-Precision Nano-Printing》为题在SCI期刊《Advanced Functional Materials 》上发表。 本文使用的FusionScope多功能显微镜创新性地将SEM和AFM技术深度融合，利用SEM进行实时、快速、精准导航AFM针尖，实现同一时间、同一样品区域和相同条件下的SEM&AFM原位精准定位与测量；测量时也可以实时观察AFM悬臂的尖端，在不需要转移样品的情况下，原位进行80° AFM与样品台同时旋转，对几乎所有样品（包括复杂样品）均可以实现无视野盲区观测；其丰富的功能选件如力曲线、导电原子力显微镜（C-AFM）和磁力显微镜（MFM）以及EDS能谱仪，可有效实现多维度同区域的高级测量。本文将简要阐述FusionScope多功能显微镜对不同平面结构的等离子体样品观测结果。 图1. FusionScope多功能显微镜【图文导读】图2. 制备、清除和3D加工能力展示。（a）气体注入系统（GIS）将金属气体前驱物分子（Me2(acac)Au(III)）注入到基底附近，利用聚焦电子束形成在基底上形成沉积。（b-g）展示了FEBID制备复杂构型的3D纳米结构的能力。（h）运用聚焦电子束去除碳的过程。图3. 不同平面结构的等离子体测量结果。（a）利用FusionScope多功能显微镜的原位AFM功能测量的在制备后和清除后的微纳结构变化区别。（b）通过原位AFM测量的在去除前后所制备纳米结构的体积变化。（c）部分去除样品的STEM-EELS能谱。（d-l）不同设计下的等离子体测量结果。图4. 利用FusionScope多功能显微镜获取用于模拟的数据。（a-b）利用FusionScope多功能显微镜中的SEM对AFM进行引导，在放置在TEM网格上的Au纳米线进行测量。（c）对FusionScope所获得的数据和TEM所获得的数据进行相互验证。（d）FusionScope测量Au纳米线的高度为24 nm，半峰宽为51 nm。图5. Au纳米线的等离子性能的实验和模拟结果。(a) Au纳米线在不同能量损失下的EELS模拟结果。（b）Au纳米在不同能量损失下的EELS实验结果。（c）在纳米线的边缘部分（d）中蓝色区域的EELS实验和模拟对比结果。（e）为Au纳米线的中间部分（d）中绿色区域的EELS的模拟和实验结果。图6. 可进行光谱调谐的等离子体3D纳米结构的实验和模拟结果。（a）在3D纳米结构尖端部分的EELS结果，实线为实验结果，虚线为模拟结果。（b-c）不同形貌的3D纳米结构的实验和模拟结果。（d）不同形貌的纳米结构的三个显著共振峰位置的实验和模拟结果。【结论】 论文中，格拉茨技术大学相关团队通过FEBID的方法制备了具有纳米级精度的3D等离子体纳米结构。在制备相关纳米结构过程中，通过FusionScope系统对所制备的纳米结构进行了原位的几何结构表征，为模拟过程提供了数据支持。Quantum Design公司研发的FusionScope多功能显微镜，通过特有的共坐标系统，解决了原位联合显微分析中不同表征方式无法共享微区的问题，又通过优化AFM和SEM工作流给用户提供了一个清晰简单的操作流程，为原位微区信息的获取提供了极大的便利。此外，FusionScope还可以通过更换不同AFM探针，实现对样品三维形貌，力学性能，电学性能和磁学性能的综合物性表征。 样机体验： 为了更好的为国内科研工作者提供专业技术支持和服务，Quantum Design中国北京样机实验室开放Fusionscope多功能显微镜样机体验活动，我们将为您提供样品测试、样机参观等机会，欢迎各位老师垂询！

p　　记者从中国科学技术大学获悉，该校单分子科学团队的董振超研究小组，通过发展与扫描隧道显微镜(STM)相结合的单光子检测技术和分子光电特性调控手段，首次清晰地展示了空间位置和形貌确定的单个分子在电激励下的单光子发射行为及其单光子源阵列。国际学术期刊《自然· 通讯》9月18日发表了这项成果。/pp　　单光子源的研究一直是量子信息领域的核心内容之一，清晰可控的高密度单光子源阵列更是构建量子芯片器件和量子网络的关键。在众多的单量子发光体，包括半导体量子点、原子、分子、色心等，单分子体系由于其发光频率易于调控、谱线较窄、且发光行为具有高度的均一性而受到广泛的关注。此外，电泵单光子源还在纳米光电集成和相关量子器件方面具有潜在的应用前景。/pp　　但是，在迄今为止的单分子体系的电泵单光子源研究中，由于受到实验技术和荧光淬灭效应的制约，一直难以实现从空间位置和形貌确定的单个分子产生强而稳定的单分子电致发光信号，因此，基于单个孤立分子的电泵单光子发射行为一直未能得到清晰明确的展示。/pp　　中国科学技术大学单分子科学团队通过巧妙调控隧道结纳腔等离激元的宽频、局域与增强特性，拓展了测量极限，为在单分子水平上观测和调控分子的光电行为提供了有力手段。他们通过研究发现，所有分子均表现出近乎全同的单光子发射特性，实现了高密度单光子源阵列的构造和展示。/pp　　这些研究结果不仅为在纳米尺度研究金属附近分子的光物理现象提供了新的手段，也为研发面向光电集成量子技术的电泵单分子单光子源提供了新的思路。《自然· 通讯》杂志的审稿人评价说，“这个结果无疑开创了该领域的最新水平，为纳米光子源的研究和发展提供了新的机会”。/p

如今，LiDAR在自动驾驶辅助系统（ADAS）、无人机、测距、人脸识别、数字相机等领域的应用越来越广泛，也变得越来越重要。现在，让我们回顾一下2019年的一项重要研究。在一项具有前瞻性的合作研究中，爱丁堡大学的Robert K. Henderson教授与STMicroelectronics影像部门合作，推动了基于单光子雪崩二极管（SPAD）的激光雷达（LiDAR）系统的发展，并在汽车应用领域取得了重大突破。他们的研究专注于优化SPAD的配置，以提升汽车LiDAR接收器的设计，并对该领域产生了深远影响。在Henderson教授的领导下，该团队进行了具有创新性的研究，重新定义了基于SPAD的LiDAR技术的能力。他们的研究成果发表在题为《用于LiDAR接收器验证的可重配置40纳米CMOS SPAD阵列》的关键论文中，对该领域具有重要影响。该研究以使用40纳米CMOS技术实现的可重配置SPAD阵列为核心，提供了像素配置的灵活性。该合作开发的测试芯片利用了Xilinx Kintex-7 FPGA进行高效的数据采集，实现了同时读取128个SPAD数字输出。这种能力可记录大量SPAD事件，为进一步分析提供关键数据。Henderson教授团队的关键突破之一是同步总和技术（SST），旨在优化基于SPAD的LiDAR系统的动态范围。通过有效地组合多个SPAD脉冲，SST技术相较于现有方法实现了显著提升，达到了7.5倍的增强。这一突破为长距离汽车LiDAR应用带来了新的可能性，解决了死时间瘫痪等问题，提高了对近距离高反射目标的检测能力。为了补充硬件开发，该团队还开发了一种强大的MATLAB模拟模型。该复杂模型通过考虑光子检测概率、像素配置、传感器吞吐量和偏置条件等多种参数，准确模拟了传感器的性能。利用模拟结果，研究人员能够确定不同像素配置下的最大成像距离，为传感器设计提供明智决策。2019年Henderson教授团队的合作研究是基于SPAD的汽车LiDAR系统领域的一项重大成就。他们的工作提升了LiDAR技术的能力，提供了更好的性能、增强的动态范围和更大的像素配置灵活性。随着对可靠且具有成本效益的自动驾驶系统需求的持续增长，这项研究的影响力不可低估。Henderson教授的团队与STMicroelectronics的合作为基于SPAD的LiDAR系统的未来突破铺平了道路。他们的发现为研究人员和从业者提供了宝贵见解，指导更高效和先进的自动驾驶技术的开发。这种合作研究的持久影响凸显了合作和创新在推动技术进步方面的力量。通过结合学术专业知识和行业经验，Henderson教授的团队与STMicroelectronics在基于SPAD的LiDAR系统方面取得了重要进展。可重配置的SPAD阵列，搭配SST技术和MATLAB模拟模型的支持，代表了实现更安全和更高效自动驾驶系统的重要一步。展望未来，这项合作研究的影响将继续塑造LiDAR系统的未来。这些具有变革性的发现将激发基于SPAD技术的更多进步，推动实现全自动驾驶车辆，并对整个汽车行业产生巨大的影响。

胶体量子点(QD)/石墨烯纳米杂化异质结构为量子传感器提供了一种有前途的方案，因为它们利用了量子点中的强量子限制，具有增强的光-物质相互作用、光谱可调性、抑制的声子散射和室温下石墨烯中非凡的电荷迁移率。在这里，我们报告了一个灵活的，九通道的 PbS 量子点/石墨烯纳米混合成像阵列在聚对苯二甲酸乙二酯上的开发，使用了一个简单的工艺，用于器件制造，信号采集和处理。PbS 量子点/石墨烯成像阵列具有高度均匀的光响应特性。在1.0 V 偏置下，400-1000nm 入射光[紫外-可见-近红外(UV-vis-NIR)]的最高响应度为9.56 × 103-3.24 × 103A/W，功率为900pW。此外，该阵列具有一致的光谱响应，弯曲到几毫米的曲率半径。在紫外-可见-近红外(UV-vis-NIR)范围内的宽波长成像表明，量子点/石墨烯纳米杂化体为柔性光探测器和成像器提供了一种可行的方法。图1.(a-c)九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列的器件制作方法。(b)石墨烯通道上的 PbS QD 涂层 以及(c) MPA 配体交换。(d，e)是分别在刚性硅和柔性 PET 衬底上制作的9通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列的示意图。(f)用短链导电 MPA 配体封装 PbS 量子点以促进从量子点到石墨烯的电荷转移的替换长链绝缘 OLA 和 OA 配体的示意图。(g)九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列中像素的结构示意图和 PbS 量子点/石墨烯界面上的内置电场。(h)使用 Arduino 读出器在九通道 PbS 量子点/石墨烯光电探测器阵列上进行传输成像的光学设置。图2。(a)在量子点沉积之前，在九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列上的石墨烯或“ Gr”通道的光学图像。(b)石墨烯/Si 和 Si 之间边界处的 G 峰(左上)和2D 峰(右上)的拉曼图，以及石墨烯上随机选择的点的拉曼光谱。单层石墨烯的 I2D/IG 2。(c)在1200nm 附近显示吸收峰的 PbS 量子密度吸收光谱。插图显示了 PbS 量子点的 TEM 图像，表明了 PbS 量子点的大小和均匀性。(d) PbS 量子点直径大小的分布。(e) PbS 量子点的高分辨透射电镜图像。条纹间距约为0.3 nm，相当于 PbS 的(200)晶格面。图3。(a)在硅衬底上的九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列上的选定像素在制作后的少数选定次数上的动态光响应。入射光功率为230nW，波长为500nm。整个像素的偏置电压为1.0 V (b)三个光开/关周期，显示重现性以及上升和下降时间定义。(c)相同的九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列对400-1000nm 范围内几个选定波长的入射光功率的光响应性。(d)相同的九通道 PbS QD/石墨烯传感器阵列对入射光功率为900pW 和偏置电压为1.0 V 的波长的检测率显示相同的九通道 PbSQD/石墨烯传感器阵列对入射光功率为900pW 和波长为500nm 的偏置电压的归一化响应性。数据在6783A/W 的1V 响应下进行了归一化处理。图4。(a)硅基板上的九通道 PbS QD/石墨烯传感器阵列对2.5 μW 的入射光功率和1V 的偏置电压的波长和通道(像素)的响应度(b)在500nm 的波长下9个像素的归一化响应度。(c)在黑暗中使用带有“ X”的阴影掩模显示五个中心通道和四个角通道的透射成像示意图。(d)使用(b)中的归一化方法对9个像素进行归一化响应，显示“ X”阴影掩模成像的结果。图5。(a)显示阴影掩模位置的图像扫描系统，透过线性致动器水平和垂直扫描，以取得安装在“样本”位置的九通道 PbSQD/石墨烯传感器阵列上的传输图像。(b)透过光束扫描以在阵列上产生传输图像的阴影掩模的光学图像。(c-e)通过在(c)400，(d)500和(e)1000nm 的波长的衬底上的九通道 PbS QD/石墨烯传感器阵列获得的图像。图6。(a)在 PET 基板上安装在弯曲虎钳上的九通道 PbS QD/石墨烯传感器阵列。转动图中所示的螺丝，将虎钳的两边连接在一起产生弯曲。(b) PET 阵列对几个选定波长的入射光功率的归一化响应率和1V 的偏置电压(c)柔性 PET 阵列的响应率作为入射光波长的函数以及刚性 Si 阵列，两者都在400nm 处归一化以进行比较。在这种情况下，入射光功率约为120nW，偏置电压为1 V (d)对于具有500nm 照明的 PET 阵列，响应率与曲率半径之比。这种情况下的光功率为2.5 μW，偏置电压为1 V。插图展示了在弯曲条件下的阵列，并用500nm 光照明。图7.在 PET 上分别以(a)400，(b)500和(c)1000nm 的波长用9通道 PbS QD/石墨烯混合传感器阵列拍摄的图像。图8.在 PET 上用9通道 PbS QD/石墨烯混合传感器阵列拍摄的图像，阵列(a)平坦，(b)弯曲半径为5厘米。相关科研成果由堪萨斯大学Andrew Shultz、Bo Liu和Judy Z. Wu等人于2022年发表在ACS Applied Nano Materials上。

近期，中科院合肥物质院固体所纳米材料与器件技术研究部团队在贵金属自组装阵列的研究中取得了新进展，合成了以多孔Au@AuAg纳米棒为阵列基元的高通量传感器，并探究了其在近红外波段(NIR)的表面增强拉曼散射(SERS)性能，相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry C 上。 　　生物化学分子的不当使用会导致严重的环境问题，因此迫切需要寻求一种低成本的可以检测环境中生物化学分子的传感器。基于SERS研发检测的传感器因其高灵敏度和特异性而受到广泛关注，但其受到低利用率和高成本的限制，无法进一步实际应用。 　　鉴于此，研究人员将喷墨打印技术与等离子体金属纳米颗粒相结合，开发了一种高通量、高灵敏度的NIR-SERS生化传感器(HNIR-SERS传感器)。首先利用压印技术制造了网格基板，其中分离的区域呈典型的立方排列；再将多孔Au@AuAg纳米棒(NRs)作为组装单元，通过喷墨打印将其组装在基板上，形成HNIR-SERS传感器。研究发现，这种新型HNIR-SERS传感器可以在一个衬底中实现多生化分子的高灵敏度检测。例如，该HNIR-SERS传感器能够有效检测4-氨基苯硫酚(4-ATP)和罗丹明6G (R6G)， 4-ATP的增强因子高达108。该工作为实现高通量、低成本的NIR-SERS传感器提供了一种有效的方法，为推动NIR-SERS传感器在拉曼检测芯片中的实际应用提供了依据。 　　上述工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、重大专项和中科院仪器专项等项目的支持。图1. 多孔Au@AuAg纳米棒的(a)合成示意图、(b)SEM图、(c)TEM图、(d)STEM-HAADF及其元素分布图。图2. (a)HNIR-SERS传感器的制备示意图；(b-d)多孔Au@AuAg纳米棒阵列的SEM图。图3. (a)加入10-6 M浓度的4-ATP处理后的多孔Au@AuAg纳米棒及其前驱体的拉曼光谱图；(b) HNIR-SERS传感器的拉曼测试示意图；(c) HNIR-SERS传感器在加入10-8 M浓度的不同待测分子后的拉曼光谱图；(d) HNIR-SERS传感器在加入不同浓度梯度的4-ATP的拉曼光谱图。

微芯片电化学检测系统（microchip-based electrochemical detection system, μEDS），是一种基于电化学方法与微流控技术的检测平台，其具有高灵敏度、极少试剂消耗、快速检测、可适性高、自动化等优点，常用于现场实时应用场景，比如床边检测等。此类芯片中核心组件是微电极，其检测性能尤为关键。传统的微电极主要是二维或平面式的结构，如环状、带状、平板式。另一方面，具有三维结构的微电极因其更大的反应面积和优异的检测灵敏度已获得越来越多研究学者的关注。微尺度3D打印技术的出现，使得三维微柱阵列电极的实现变得更加便捷、快速、高效。PμSL（Projection Micro Stereolithography，面投影微立体光刻）是一种面投影微尺度超高精度光固化增材制造技术，使用高精度紫外光刻投影系统，将需要打印的三维模型分层投影至树脂液面，分层光固化成型并逐层累加，最终从数字模型直接加工得到立体样件。该技术具有打印精度高、跨尺度加工、成型效率高、制造成本低等突出优势，被认为是目前最具有前景的三维微细结构加工技术之一。图1：PμSL技术原理示意图通过结合软光刻以及金属沉积技术，PμSL微尺度 3D打印技术近期在电化学检测领域取得系列成果。其中的微电极的制备过程大致为：通过PμSL微尺度3D打印技术打印得到三维微柱阵列模具，然后通过PDMS二次翻模得到PDMS材质的三维微柱阵列，最后再经过磁控溅射等金属沉积方式将金属比如金沉积在三维微柱结构的表面作为导电层以形成最终的微柱电极。此外，还可选择性地在电极表面修饰Pt-Pd/多层碳纳米管等其他改性物质以提高电化学检测性能。研究一：基于微柱阵列电极的生物标记物高灵敏度检测研究摘要：微柱阵列电极因其高质量运输、低检测极限以及微型化的特点被广泛用于电化学检测领域。该研究工作阐述了表面镀金的PDMS基微柱阵列电极的制备、数值仿真、表面改性以及表征。9×10的微柱阵列排布在0.09cm2的区域内，其中微柱的高度分别为100 μm，300 μm 和500 μm。微柱阵列电极是使用PμSL微尺度3D打印技术与软光刻相结合的方法制备而得，通过SEM和循环伏安法进行表征测试。实验结果显示，无论扫描速率的高低，高度值更大的微柱有利于提高电流密度。Pt-Pd/多层碳纳米管材料涂覆可进一步提高微柱阵列电极的电化学检测性能。相较于平板式电极，微柱阵列电极的电化学检测灵敏度是前者的1.5倍。高度500 μm的Pt-Pd/多层碳纳米管改性的微柱阵列电极可用于检测肌氨酸（一种前列腺癌的生物标记物），其线性范围和检测极限分别是5-60 μM 和1.28 μM。这个检测范围覆盖了肌氨酸在人体组织的浓度区间（0-60 μM）。因其更高的微柱高度和更大的比表面积，微柱阵列电极比平板式电极获得了更好的检测性能。该研究工作为高检测灵敏度的微柱阵列电极在低丰度分析物的检测应用提供了有效的指导。图2：微柱阵列电极的制备过程示意图及改性电极和电化学检测中典型的三电极式简易传感装置论文信息：DOI: 10.1039/d0ra07694e.研究二：动态微流体中微柱阵列电极的电化学检测研究摘要：高集成度、高灵敏度、快速分析、极小的试剂消耗等优点促使μEDS备受学术界的关注。微小化的工作电极是μEDS的核心部件，其性能决定了整个μEDS的检测表现。相比于传统的微电极形貌，如带状、环状、圆片状，三维微柱阵列电极因其更大的反应面积，具有更高的响应电流和更低的检测极限。在该研究工作中，采用数值仿真研究了μEDS的检测性能以及三维微柱的形貌和流体的动力学参数，包括微柱的形状、高度以及排列方式和反应溶剂的流速。μEDS的尾端效应在基于预设的电流密度参数下也进行了定量分析。此外，通过结合PμSL微尺度3D打印技术与软刻蚀的方法制备的PDMS基三维微柱阵列电极与微通道集成，用于研究电化学检测。循环伏安法和计时电流法测试的结果表明，实验数据与模拟数据吻合较好。此研究为μEDS的参数设计提供了指导性建议，所使用的方案亦可适用或借鉴于分析和优化基于纳米芯片的电化学检测系统（nanochip-based electrochemical detection system, nEDS）。图3：μEDS和微柱阵列的示意图以及微柱阵列的形貌参数论文信息：DOI:10.3390/mi11090858.上述研究中微柱电极结构模具均采用PμSL微尺度3D打印技术加工，所采用的加工设备均为摩方精密（BMF, Boston Micro Fabrication）公司10 μm光学精度设备P140，其最大打印尺寸为19.2mm (L)×10.8mm (W)×45mm (H)，打印层厚为 10~40 μm。图4：BMF公司10微米系列精度设备P140/S140