1、中国科学院微电子所在GaN器件研究方面取得重要进展
2、北京大学电子学院陈景标研究团队在新型激光领域取得重要进展
3、中国科大在自旋神经形态器件研究中取得新进展
4、西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授等在国际顶级期刊上发表重要科研成果
5、上海交大严智明等人揭示被掺杂的莫特绝缘表面可通过电荷歧化形成一种截然不同的绝缘基态
1、中国科学院微电子所在GaN器件研究方面取得重要进展
近期，微电子所高频高压中心GaN研究团队在刘新宇研究员带领下，在高频高效率器件、限幅器、电源驱动电路等研究方向进行了创新性研究和探索，取得了重要进展。
在高频高效率器件方向，团队采用LP-SiN结合ALD超薄栅介质技术制备的0.15μm 栅长AlGaN/GaN毫米波 MIS-HEMT功率器件，解决了现有HEMT器件肖特基漏电大、效率低的问题，在连续波测试条件中，30GHz的功率附加效率（PAE）为49.7% 功率密度为5.90W/mm。
在限幅器方向，团队采用全GaN SBD-MMIC技术的限幅器， 利用全GaN肖特基势垒二极管来实现的单片微波集成电路（全GaN SBD-MMIC）技术，研制的限幅器显示出高在连续波模式（CW）下，入射功率超过50W脉冲模式下为125 W，插入损耗（IL）小于1dB@8GHz，具备39纳秒的创纪录的快速恢复时间，拓展了宽禁带材料在GaN SBD的限幅器领域的应用前景。
在电源驱动电路方向，团队开发了一款GaN基单片包络跟踪电源调制器，集成了传统GaN开关功率放大器所需要的预防大级并采用了双端反自举电路，实现了对20MHz带宽，6.5dB的射频包络信号的跟踪；采用电源调制器对连续F类PA进行供电实现包络跟踪功率放大器应用，在2.7GHz载波频率，20MHz信号带宽，6.5dB峰均功率比及30.6dBm的输出功率下，系统效率比单独PA效率提升8%。
上述研究得到多个重要任务的支持，成果分别以Ka band GaN MIS-HEMT with ALD-SiN gate dielectric and Lp-SiN passivation layer、Record Fast Recovery Performance from Microwave High-Power Limiters with All-GaN SBD-MMIC Technology:39ns@100W和A Monolithic GaN Based Supply Modulator with Dual-Antibootstrap Level Shifter for Envelope Tracking Application为题入选2024年国际微波会议（IMS2024），并应邀作口头报告。
2024国际微波研讨会（International Microwave Symposium 2024) 是由电气与电子工程师学会（IEEE）微波理论和技术分会（MTT-S）主办，已有70多年历史，涵盖了射频、微波、毫米波等领域，从模块设计到系统应用的所有方向，是微波领域的顶级会议之一。（中国科学院微电子研究所）
图1 毫米波器件功率测试结果
图2 限幅器技术路线及性能指标
图3 包络跟踪功率放大器效率提升曲线（对比F类功率放大器）
2、北京大学电子学院陈景标研究团队在新型激光领域取得重要进展
2024年9月13日，电子学院陈景标教授团队在新型激光领域研究方面取得突破性进展，成功利用精细度达最低极限值2的光学谐振腔实现了线宽在kHz量级的极坏腔主动光钟激光，该结果刷新了国际同行对光学谐振腔应用的认知，为实现窄线宽激光提供了反直观的技术途径。相关研究成果以“An extremely bad-cavity laser”为题，发表于自然出版社旗下的国际学术期刊Npj Quantum Information。
论文截图
激光是20世纪最伟大的发明之一，由于其方向性高亮度、单色性和高相干性，已成为科学、工业和医疗应用中最通用的工具。其中，具有超窄线宽的超稳激光器在量子光学、精密光谱和基础物理测量中具有广泛的应用前景。自1983年首次提出以来，利用超高精细光学谐振腔（精细度现已可达数十万）来压窄激光线宽的Pound-Drever-Hall (PDH)稳频技术已成为一项压倒性技术，但其性能的进一步提升不可避免地受限于腔长热噪声。
为解决该国际难题，北京大学电子学院陈景标教授课题组利用超低精细度（~2.01，接近最低极限值2）的光学谐振腔实现了一种极坏腔主动光钟激光，证明了显著的线宽压窄效果。主动光钟由陈景标教授于2005年国际首创提出，其工作在坏腔区域，输出钟激光频率取决于稳定的量子跃迁频率而非外部参考腔，故能够有效解决传统被动光钟里PDH稳频系统的腔长热噪声问题。
原理示意图及1470nm极坏腔激光的实现
在这项研究中，激光器腔精度接近于最低极限值2。利用如此低精细的谐振腔实现激光，并研究其物理原理和机制，证明其在量子精度测量中的独特优势，之前从未被报道过。该工作利用7.17MHz的增益线宽，实现了1.2kHz的窄线宽激光输出，实现了优于原子跃迁自然线宽3个量级的线宽压窄效果。实验上得到腔牵引系数为0.0148，是目前连续波主动光钟激光器的最低值。极坏腔激光的新概念不同于传统激光，这一研究成果为实现主动光钟超窄线宽激光提供了新的技术途径，有望开启量子物理的一个全新研究领域。
极坏腔激光腔牵引抑制效果
该研究工作在陈景标的指导下完成，北京大学电子学院2021级博士研究生张佳为论文第一作者，共同研究人员还包括北京大学电子学院2019级博士生缪健翔、北京大学集成电路学院史田田助理研究员（通讯作者）、国家授时中心于得水研究员。该研究得到了国家自然科学基金、科技创新2030―“量子通信与量子计算机”重大项目、中国博士后科学基金、温州重大科技创新重点项目的支持。（北京大学）
3、中国科大在自旋神经形态器件研究中取得新进展
近日，中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授和高南特任研究员团队在自旋神经形态器件研究中取得新进展。研究团队基于反铁磁氧化钴材料，成功开发了具有非线性响应特性和短时存储特性的神经形态器件，并展示其了在储池计算及多维度信息处理方面的应用潜力。该成果以“An Antiferromagnetic Neuromorphic Memory Based on Perpendicularly Magnetized CoO”为题，近期发表在国际知名学术期刊《Nano Letters》上，并被选为封面论文。
图1. Nano Letters论文封面
后摩尔时代硅基器件的发展受到严峻的挑战，自旋电子器件凭借其低功耗、高工作速度、抗辐照等特性而备受关注。相比于传统的铁磁材料，反铁磁材料由于其原子尺度交错的磁矩分布，具有更快的速度和更高的稳定性，是开发自旋神经形态器件的理想候选材料。然而，现有的绝缘反铁磁材料大多不具备面外各向异性，较大程度限制了其集成潜力；此外，神经形态计算进一步对器件提出了非线性响应、短时存储等新的要求。因而构建反铁磁神经形态器件是当前自旋电子学领域的一个挑战。
针对上述挑战，研究团队基于(111)取向的氧化钴/铂双层结构，实现了巨大的面外磁各向异性。利用器件在自旋轨道力矩作用下磁矩部分翻转的非线性特征以及在热激发下的自发弛豫特性，实现了全电学读写，且具有非线性响应和短时存储能力的自旋神经形态器件，并验证了其可以在手写数字识别和量子纠缠态分类等储池计算任务中实现高的识别率。进一步，基于器件的双向弛豫特性，提出并验证了其在多维度信息处理方面的独特优势。
图2.反铁磁神经形态器件及其应用展示(a) 器件结构 (b) 器件的衰减特性 (c) 器件的非线性电学响应 (d) 器件在多维度信息处理方面的应用
该工作首次基于纯反铁磁体系实现了自旋神经形态器件，并为进一步利用反铁磁材料的优势，开发超高集成度和超高运算速度的类脑计算系统奠定了基础。
中国科学技术大学高南特任研究员和龙世兵教授为论文共同通讯作者，博士生向学强为论文第一作者。此项研究工作得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、国家自然科学基金项目的资助，并得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。（中国科学技术大学）
4、西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授等在国际顶级期刊上发表重要科研成果
响应型结构色材料能够对外界刺激做出反应，并能动态调控其结构色，被广泛应用于彩色涂层、显示器、可视化传感器、信息安全、军事伪装和智能可穿戴器件等领域，并成为近年来的研究热点。然而，目前相关研究多集中在对单一色彩单元的调控，且材料制备工艺相对复杂，刺激手段和调制方式单一，极大地限制了此类材料的实际应用。因此，探索新的刺激手段和调制方式以实现单一材料的多色分离成为了人们关注的重要课题。近年来，受变色龙色彩调控机制的启发，人们已经提出并发展出了多种结构色调控策略，但在设计和开发更易获取的刺激响应方式并实现多色分离和色彩重构方面仍然面临着极大挑战。
图1 受变色龙启发的HPC-P(AA-AM)复合材料的热致多色分离机制
针对这一课题，西安交通大学物理学院研究团队借鉴变色龙的色彩调控策略，通过将羟丙基纤维素(HPC)与聚(丙烯酸-丙烯酰胺)(P(AA-AM))水凝胶结合，成功制备了具有多色分离能力的胆淄相纤维素复合材料（CPCC）。由于复合体系中胆淄相HPC的螺距随温度升高而增大，且螺距变化范围受复合体系中水凝胶交联度的影响，因此可以通过改变水凝胶的交联度来调控HPC结构色对温度的响应行为，进而实现温度诱导下的多色分离(如图1所示)。研究发现，提高HPC的浓度可以有效降低胆淄相HPC的螺距，并使得高浓度下不同交联度的CPCC在室温下的反射峰波长始终处于紫外区域，即室温下始终不显示结构色，材料呈透明状态；而随着温度升高，胆淄相HPC的螺距逐渐增大，反射峰波长逐渐红移进入可见光波段，从而表现出温度诱导的多色分离现象(如图2所示)。这一发现为以温度为密匙的防伪材料的设计提供了新的思路。
图2 HPC-P(AA-AM)复合材料的热响应多色分离
为了进一步实现结构色的电刺激调控，将CPCC与导电碳油结合，利用导电碳油形成的碳层作为导电基底，通过施加电压在碳层中形成的电流产生的焦耳热对上层CPCC进行加热，进而实现结构色的动态调控。由于CPCC优异的热响应能力，所形成的薄膜在0~3V的电压下即可实现结构色在整个可见光范围的调控；同时通过对复合体系中水凝胶交联度的局部调控，所形成的CPCC薄膜表现出低电压驱动的多色分离能力(如图3所示)。
图3 HPC-P(AA-AM)复合材料的电响应多色分离
图4 HPC-P(AA-AM)复合材料的磁响应多色分离
同样基于CPCC的热敏特性，结合FeNi3磁性合金纳米粒子优异的磁热性能，研究人员设计了一种可通过磁场进行多色分离的方法。在高频交变弱磁场作用下，FeNi3纳米粒子可通过磁滞损耗、弛豫损耗等方式将磁场能高效地转变为热能，从而对纤维素薄膜进行快速加热，实现磁场诱导下的结构色动态调制。进一步利用FeNi3纳米粒子在基底中的像素化分布及浓度变化，可实现各像素点结构色的独立调控，从而获得弱磁场作用下的多色分离和像素化显示效果（如图4所示）。
图5 HPC-P(AA-AM)复合材料在热致变色显示、电热驱动像素化显示及热-电-磁驱动的信息加密中的应用
最后，研究人员将上述热-电-磁三种结构色调控策略进行了集成，并结合复合体系中水凝胶交联度的图案化分布设计，实现了结构色的多通道显示和调控。其中，三种调控手段既可单独作用也可相互协同，从而在单一材料中获得了丰富的、多层次结构色显示效果。这种通过热-电-磁多重刺激实现多色分离的方法，在彩色显示、信息加密和防伪等领域有着独特的优势和广阔的应用前景。
该成果近日发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials），西安交通大学物理学院为唯一通讯单位，文章第一作者是西安交通大学物理学院博士生温小翔，西安交通大学物理学院卢学刚教授、杨森教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和陕西省自然科学基金的支持。（西安交通大学）
5、上海交大严智明等人揭示被掺杂的莫特绝缘表面可通过电荷歧化形成一种截然不同的绝缘基态
近日，上海交通大学材料科学与工程学院、金属基复合材料国家重点实验室郭益平教授课题组在缺陷偶极子调控铁电材料的极化与应变行为的研究中取得重要进展，相关研究成果以“Deciphering the Effect of Defect Dipoles on the Polarization and Electrostrain Behavior in Perovskite Ferroelectrics” （https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03042）为题发表于国际知名学术期刊Nano Letters上。
钙钛矿结构的铁电材料在压电传感和驱动、电光调制、介电储能、非易失性存储等领域受到广泛关注。点缺陷或缺陷偶极子的引入和调控可以改善钙钛矿铁电材料的压电性质、储能性质和温度稳定性，例如课题组前期的系列工作利用缺陷偶极子与铁电畴的耦合作用在低电场下获得了低滞后、耐疲劳、温度稳定的高应变（Science 2022, 378, 1125-1130，Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2306416, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214643）。然而，在缺陷偶极子对极化和压电应变的影响方面仍然存在疑团：（1）传统观点认为宏观取向排列的缺陷偶极子一定会产生内偏场，但事实发现并不是所有缺陷偶极子都能产生内偏场；（2）学界近年来利用缺陷偶极子获得的不对称大应变行为普遍与传统理论中的规律矛盾。针对上述问题，研究人员提出，只有净电荷为零的缺陷偶极子会产生内偏场；净电荷不为零的缺陷偶极子会吸引第三个电荷分布在周围，而第三电荷位置的不确定性阻碍了内偏场的建立。在Fe掺杂KNN陶瓷中使Fe元素降价，观察到内偏场消失，证实了内偏场建立的条件是缺陷偶极子净电荷为零。研究认为缺陷偶极子在宏观定向后会产生额外的极化，考虑这部分极化后，的传统理论可适用于近年发现的不对称大应变现象。研究中还利用相场模拟验证了缺陷偶极子的弹性效应会带来额外极化，可以在不产生内偏场的前提下获得高度不对称的应变行为。这项研究解决了缺陷偶极子调控机制方面长期存在的问题，增进了对缺陷偶极子性质的理解，完善和发展了铁电材料的点缺陷相关理论。
图1 缺陷偶极子对铁电材料极化行为的影响
图2 相场模拟表明缺陷偶极子的弹性效应对极化和应变行为的影响
材料学院已毕业博士生皇甫庚（目前为新加坡国立大学博士后）和在读博士生王杰为论文的共同第一作者，郭益平教授和南京理工大学刘震教授为通讯作者，章海明教授及新加坡国立大学的陈景升教授也参与了研究。这项研究获得了国家重点研发计划（2022YFA1205300和2022YFA1205304）、国家自然科学基金（52032012）和江苏省自然科学基金（BK20220923）的资助。（上海交通大学）
