研究成果

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2018年9月21日,《科学》(Science)刊发了华中科技大学武汉光电国家研究中心韩宏伟教授团队合作论文“钙钛矿太阳能电池产业化的挑战”(“Challenges for commercializing perovskite solar cells”)。华中科技大学荣耀光副教授、胡玥副教授和梅安意博士为共同第一作者,华中科技大学韩宏伟教授、加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授,美国科罗拉多大学Michael D. McGehee教授,韩国蔚山国立科技研究所Sang Il Seok教授为共同通讯作者。

  充分利用太阳能是解决目前人类面临的能源短缺和环境污染等问题的根本途径。作为新兴太阳能电池技术的杰出代表,钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)基于地球储量丰富的元素和简单的溶液法制备,有望实现廉价太阳能发电,因此受到各国科研工作者及产业界的关注。在过去的几年里,钙钛矿太阳能电池发展了多种器件结构和材料体系(图1A),其光电转换效率迅速提升,稳定性也获得很大改善,目前不仅有大量的科研机构开展钙钛矿太阳能电池的相关研究,国内外还涌现出多家科技公司对钙钛矿太阳能电池进行商业化探索及推广。针对钙钛矿太阳能电池商业化的关键问题及所面临的挑战,团队对目前钙钛矿太阳能电池所获得的最新进展进行了总结,并从钙钛矿太阳能电池寿命评价标准、性能衰减机理,器件尺寸放大、环境影响等方面对其未来的发展及商业化进行了展望。

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图1 (A)基于不同器件结构和材料体系的钙钛矿太阳能电池示意图;(B)110平米可印刷钙钛矿太阳能电池示范系统


  在光电转换效率方面,目前获得第三方公证的钙钛矿太阳能电池的最高实验室光电转换效率已经达到23.3%,该数值已经超过市场上占主导地位的多晶硅太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池和铜铟镓硒薄膜太阳能电池,充分展现了其良好的商业化前景和极大的潜在市场价值。在器件稳定性方面,目前已有大量钙钛矿太阳能电池在不同实验条件下(如高温、持续光照、高湿度等)的稳定性数据被报道,已测试10,000小时标准模拟太阳光(不含紫外光)持续照射后,器件未出现明显衰减,该稳定性测试的太阳光辐照量相当于武汉或欧洲大部分地区10年的太阳光辐照量总和。除此之外,针对实际应用所需满足的不同条件下的稳定性测试也在进行中。

  在未来钙钛矿太阳能电池研究工作中,进一步探明器件性能衰减机理并提出有效的器件寿命评价标准将成研究重点。与此同时,开发制备高性能大尺寸钙钛矿太阳能电池的技术和工艺也将备受关注。目前,国内外已有大量科研机构及科技公司开展钙钛矿太阳能电池尺寸扩大的技术探索。在此方面,华中科技大学团队所专注的可印刷钙钛矿太阳能电池,基于丝网印刷技术制备,采用廉价的碳材料替代传统的贵金属作为电极材料,因此具有易于扩大化生产及有望实现廉价太阳能发电的技术特点。湖北万度光能有限责任公司所建设的110平米可印刷钙钛矿太阳能电池示范系统充分展示出该项技术良好的应用前景(图1B)。

  该工作获得了国家自然科学基金重大研究计划集成项目,重点项目,面上项目,科技部863计划及湖北省科技厅等项目的支持。


More energy from the sun hits the Earth’s surface in an hour than humanity uses each year, making solar power the most promising candidate whenever the future of energy is discussed. The last 25 years transformed solar power from verified oddity to the world’s fastest-expanding energy source. While the photovoltaic (PV) market is still dominated by silicon solar panels, perovskite solar cells (PSCs) have been considered as a ‘gamechanger’ that can eke out more energy from the sun’s photons and be used more flexibly than today’s panels.

Making from the most abundant mineral on Earth, PSCs became the frontrunner among all emerging PV technologies. From humble beginnings in 2009 with an efficiency of 3.8% and lasted only minutes, the best PSCs now boast an efficiency of 23.3% and can work for thousands of hours under harsh test conditions.

        Researchers from Huazhong University of Science and Technology, led by Hongwei Han, have recently reviewed the advances toward commercially viable PSCs and discussed challenges that remain. The work, which can be found on Science(Science, … DOI:), also include contributions from researchers around the world such as Edward H. Sargent at University of Toronto (Canada), Sang Il Seok at Ulsan National Institute of Science and Technology (Korea), and Michael D. McGehee at University of Colorado (USA).

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Figure 1. Configurations and application demonstration of PSCs. (A) PSCs have been developed in various device configurations, including mesoscopic, planar, triple mesoscopic and tandem structures. (B) A 110 m2 perovskite PV system with printable triple mesoscopic PSC modules (3600 cm2 for each) was launched by WonderSolar in China.

PSCs can deliver excellent performance alone with device configurations include mesoscopic formal (n-i-p) and inverted (p-i-n) structures, planar formal and inverted structures, and the printable triple mesoscopic structures (shown in Figure 1A). They can also be combined with other existing mature PV technologies, making ‘tandems cells’, to deliver more power than either could manage alone. The notable improvement in both the PSC efficiency and stability in the past few years has helped underpin the rapid progress of single-junction PSCs as well as tandem cells. In particular, a team from the Swiss Federal Institute of Technology (EPFL), one of the pioneers of perovskite research, has announced 10,000 hours lifetime of printable triple mesoscopic PSCs last year. This equals to the total irradiation of ten years outdoor use in most of Europe, offering more reassurance for PSCs to enter the PV market.

WonderSolar in China announced its latest milestone: a perovskite PV system with printable triple mesoscopic PSC modules that exceeding a total area of 110 m2 (shown in Figure 1B). The system is a testament to two crucial areas of progress in PSCs over the past few years: the devices longevity and their ability to upscale. Further studies of these increased-area modules and systems will expand to cover both fundamental topics on materials and lab-sized cells, and also studies to address issues of industrial-scale manufacturing and deployment.

WonderSolar isn’t the only commercial player in perovskite. Microquanta Semiconductor recently obtained the highest efficiency of rigid perovskite mini-module; Saule Technologies is working on flexible perovskite cells; a consortium that includes Greatcell Solar, Solliance, Oxford PV, Solaronix and Tandem PV is developing stand-alone and tandem cells; and several other companies are in the mix.   

Of course, there is no guarantee perovskite will succeed as solar’s new wonder material. The development is still at very early stages, both academic and companies still have technical and production challenges to overcome. This include industry-scale electronic-grade films, recycling methods to address concerns regarding lead toxicity, and the adoption of standardized testing protocols to predict the operation lifetime of PSCs. Modules will need to pass light-induced degradation, potential-induced degradation, partial shade stress, and mechanical shock. The field can benefit from the learning and experience of mature PV technologies as it strives to define, and overcome, the hurdles to PSC commercial impact.


2017年7月25日,《神经解剖学前沿》(Frontiers in Neuroanatomy)期刊刊发武汉光电国家实验室脑空间信息研究团队在特定类型神经元脑图谱研究方面最新成果,论文标题为《小鼠CRH神经元全脑空间分布的定量化分析》(A Quantitative Analysis of the Distribution of CRH Neurons in Whole Mouse Brain),博士生彭杰为论文的第一作者,共同作者有龙犇、袁菁、彭雪、倪鸿、李向宁、龚辉、骆清铭和李安安。该论文见刊以来,引起了神经科学领域研究者们广泛的关注,目前已有超过1500人次下载,并被该期刊列为重点推荐文章

神经环路是大脑复杂功能实现的结构基础,由海量的神经元构成,据统计,人脑中的神经元数量接近1000亿。神经元在大脑活动中各司其职,依据神经元合成的神经递质、表达的特异分子等特征被划分为不同的类别。已有研究表明,同种类型的神经元具有相类似的连接和功能,特定类型神经元功能异常也与某些脑疾病发生密切相关。近年来,欧盟和美国纷纷提出了规模庞大的“脑计划”,旨在探索脑功能的秘密和解决脑疾病的治疗问题,其中,不同类型神经元在全脑是如何分布既是神经科学的基础性问题,美国脑计划的第一个研究目标。但是,过去对特定类型神经元分布和定量统计的研究工作受到研究手段的限制,只在局部区域,或者只是获得定性描述的结果。骆清铭领导的脑空间信息研究团队最近在全脑成像和全脑神经元识别定位技术的突破使得定量分析全脑特定类型神经元分布成为可能,特别是轴向分辨率高达1微米的三维成像平台-全脑定位系统(Brain-wide Position System, BPS)的研发为绘制特定类型神经元分布图谱提供了强有力的支撑

经十余年的努力,骆清铭团队构建了全脑特定类型神经元分布和统计分析研究平台,首次定量地给出了促甲肾上腺激素释放激素(corticotropin-releasing hormone,CRH)神经元在小鼠全脑140多个脑区、核团的定量和定位分布结果,相比于过往研究,该结果在研究尺度和精度上都有重大突破。CRH本质上是一种具有神经递质和内分泌特性的蛋白质,在人的情绪活动响应和下丘脑-垂体-肾上腺轴的响应中起着重要作用,同时也与药物成瘾和抑郁症密切相关,本成果将为相关脑功能和疾病的研究提供关键解剖学依据。

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 文章配图:CRH-IRES-Cre;Ai3小鼠CRH神经元在全脑范围内的定量统计分析

据该团队介绍,有关特定类型神经元分布和特征分析的项目是脑空间信息学(Brain-spatial information science, Brainsmatics)研究的一部分,目标是绘制出各种类型神经元的全脑分布图谱,CRH神经元的研究只是这个宏大研究项目的初始内容。此外,这类基础性的脑图谱、脑数据库的构建也是即将启动的“中国脑计划”中的重要目标之一。该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体科学基金(No. 61421064),国家自然科学基金(Nos. 91432105, 91432116),国家重大科学仪器与设备开发专项(No. 2012YQ030260)和华中科技大学自主创新基金(No. 2015XJGH004)的资助。


       11月3日,《自然·通讯》 (Nature Communications)在线发表了武汉光电国家实验室(筹)张玉慧教授团队的最新研究成果《用于活细胞长时程超分辨成像的透膜有机荧光探针揭示了溶酶体和线粒体的相互作用》(Cell-permeable organic fluorescent probes for live-cell long-term super-resolution imaging reveal lysosome-mitochondrion interactions)。

        越来越多研究表明细胞中的各种细胞器形成一个复杂的动态网络并在各种生命活动中进行协同合作而非独立工作。作为细胞中两种重要的细胞器,溶酶体和线粒体在很多重要的生理过程中发挥着重要作用,其功能紊乱涉及到多种疾病,如:神经退行性疾病、心脏疾病以及癌症等。然而,到目前为止,对溶酶体和线粒体之间的动态相互作用研究鲜有报道,甚至在哺乳动物细胞中溶酶体和线粒体之间是否存在物理相互作用都未可知。这主要是因为它们之间的相互作用位点是在纳米量级,远远超出了常规光学荧光显微镜的分辨极限。作为近年来发展起来的超分辨荧光显微成像技术之一,结构光照明显微成像技术(SIM),因同时具有较高的时间和空间分辨率,为观测活细胞内细胞器之间的动态相互作用提供了一种非常有效的工具。然而,到目前为止,利用SIM技术进行溶酶体和线粒体动态相互作用研究仍具有很大的挑战性,主要是因为现有能用于活细胞标记的溶酶体及线粒体荧光探针具有易光漂白及非特异性标记等问题。

        张玉慧教授团队构建了一系列新型能特异性标记活细胞内溶酶体的透膜有机荧光探针。该系列荧光探针具有特异性高、光稳定性高及多色可选等优点。利用这类新型荧光探针及SIM技术,首次在超分辨水平记录了活细胞内溶酶体融合-分裂的连续动态过程。同时,还成功发展了一种高亮度、抗漂白的荧光染料作为活细胞线粒体荧光探针。利用以上两类荧光探针,实现了对溶酶体及线粒体长达13分钟的双色SIM超分辨成像,首次在活细胞中揭示了四种溶酶体和线粒体的动态相互作用。此项研究成果将为在活细胞中进一步研究溶酶体和线粒体的功能及动态相互作用提供新的工具和方法。

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图1.双色SIM超分辨动态成像(绿色:溶酶体;紫色:线粒体)。(a,b,d,e,f)四种不同溶酶体和线粒体的动态相互作用;(c)一个完整细胞的双色SIM超分辨图;(g)f中线粒体管状结构的半高全宽。

        此项工作由武汉光电国家实验室(筹)生物医学光子学功能实验室韩于冰、李梅花、仇丰武、张朦及张玉慧(通讯作者)共同完成。

        该工作得到了“973”计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金创新群体、华中科技大学学术前沿青年团项目等的支持。

        全文可访问https://www.nature.com/articles/s41467-017-01503-6


 10月2日,光电领域权威杂志《自然•光子学》(Nature Photonics, IF=37.852)在线发表了武汉光电国家实验室唐江教授团队题为《具有低检测限的铯银铋溴单晶X射线探测器》(Cs2AgBiBr6 single crystal X-ray detectors with a low detection limit)。我校为论文第一单位,唐江教授及其团队牛广达副研究员和生命学院谢庆国教授为论文共同通讯作者,武汉光电实验室博士生潘伟程、巫皓迪、罗家俊和生命学院邓贞宙博士为论文共同第一作者。

 X射线探测器广泛应用于安检、医学成像和工业材料检验等领域。目前传统方法是利用闪烁晶体将X光子转化为可见光,再激励光电倍增管产生电信号,其成像分辨率受到光学串扰限制。而直接探测是利用半导体材料将X光子直接转换为电子信号的检测方法,拥有更高的空间分辨率和更低的系统成本。最近研究表明,有机无机杂化铅卤钙钛矿在X射线直接探测方面具有优异性质,如X射线吸收系数大、载流子扩散距离长、低温溶液制备成本低等,受到人们普遍关注。

 但铅基钙钛矿的毒性不容忽视,基于铅基钙钛矿的X射线成像系统铅含量达到3336 g/m2,远远超过欧盟对于电子产品中铅含量的限制(1000 ppm),制约了其未来产业化发展。此外,具有低检测限的X射线探测器不仅能够减少医学成像和安检过程中使用的X射线剂量,从而降低辐射导致的患癌几率,同时也能提升成像系统空间分辨率。目前铅基钙钛矿受到离子迁移和表面缺陷的影响,探测器暗电流过大,最低检测限为0.036 μGyair s-1,仍待进一步降低。

    唐江团队创新性地提出基于铯银铋溴(Cs2AgBiBr6)双钙钛矿单晶的X射线直接探测,将铅基钙钛矿CsPbBr3中的铅替换为银和铋,从而避免铅的使用。更重要的是,铯银铋溴单晶探测器具有对X射线的高灵敏度和低检测限,主要体现在该材料具有高于铅基钙钛矿的平均原子序数,从而保证X射线的高效吸收;同时其间接带隙的跃迁特征保证该材料长的少子寿命(660ns)和载流子扩散距离,从而提高探测器的电荷收集效率;此外,该材料缺陷浓度低且离子迁移不显著,保证了在工作条件下的高电阻率和低噪音特征,从而有效降低探测器的检测限。通过单晶体缺陷的降低和表面缺陷的抑制,最终制备的探测器灵敏度达到105 µC Gy air -1 cm–2最低检测限为59.7 nGyair s-1高温和辐照稳定性好,综合性能达到甚至部分超过铅基钙钛矿探测器水平。论文还提出了表征钙钛矿离子迁移的新方法,并通过理论计算和实验实测证实了铯银铋溴具有比有机无机铅基杂化钙钛矿更小的离子迁移。该工作不仅为非铅钙钛矿材料的光电性能理解及其指向性应用提供了新思路,其所发展的稳定灵敏无毒的X射线探测器也具有优异的技术竞争力,有希望实现产业化应用。

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1. (a) Cs2AgBiBr6的XRD和实物照片;(b) Cs2AgBiBr6 X射线探测器的在不同照射剂量和工作电压条件下的信噪比;(c) 探测器的工作稳定性。

该工作与生命学院谢庆国教授、苏州大学尹万健教授、北京工业大学隋曼龄和柯小行教授合作完成,他们分别提供了X射线测试系统和测试帮助、理论计算和材料表征方面的支持;得到了科技部重点研发计划(2016YFB0700702)、国家自然科学基金(91433105)等资助,在此一并表示感谢。

唐江教授于2012年入选“青年千人计划”,同年加入我校光电国家实验室。2013年获国家自然科学基金优秀青年基金支持,2017年已通过国家自然科学基金杰出青年基金公示。其课题组主要从事硒化锑薄膜太阳能电池和钙钛矿光电器件研究。该工作是继团队以华中科技大学为第一单位在20156月《自然•光子学》(Nature Photonics),20164月《自然•通讯》(Nature Communications),20174月《自然•能源》(Nature Energy)上发表高水平论文以来,在光电转换材料与器件领域的又一重要进展。牛广达副研究员是课题组2016年底从清华大学引进的青年教师,进入课题组以来已经以共同通讯作者身份发表Angew. Chem. Int. Ed.等高水平文章多篇。


9月21日上午,教育部官方网站正式发布了国家“双一流”正式名单。一流大学建设高校共42所,A类36所,B类6所。一流学科建设高校95所。华中科技大学入选一流大学建设高校A类名单,我校机械工程、光学工程、材料科学与工程、动力工程及工程热物理、电气工程、计算机科学与技术、基础医学、公共卫生与预防医学8个学科入选“双一流”建设学科名单。

由光学与电子信息学院和武汉光电国家实验室(筹)共同支撑的光学工程学科,入围“双一流”建设学科,标志着我校光学工程学科建设迈上新起点、新台阶。根据学校学科建设规划,我们将以光学工程学科为牵引,统筹各方资源,全力推进光电信息工程一流学科群建设,带动电子科学与技术学科同频共振、共同发展壮大,争取早日迈入世界一流学科行列。根据光电信息一流学科群建设方案,我们将努力担当华中科技大学创建世界一流大学的重要战略支点,对学校进入世界一流行列发挥支撑作用。

日前,教育部、财政部、国家发展改革委印发《关于公布世界一流大学和一流学科建设高校及建设学科名单的通知》,公布世界一流大学和一流学科(简称“双一流”)建设高校及建设学科名单。红头文件及双一流高校、学科参见网址:http://www.moe.gov.cn/srcsite/A22/moe_843/201709/t20170921_314942.html


近日,我院微电子学系2015级硕士生张长旺等在张建兵副教授的指导下,在量子点的生长控制方面取得了新进展,相关工作发表在美国化学学会旗下期刊《材料化学》(Chemistry of Materials)(2016年影响因子9.407),论文题为“Combination of Cation Exchange and Quantized Ostwald Ripening for Controlling Size Distribution of Lead Chalcogenide Quantum Dots”

胶体量子点是具有量子限域效应、可用溶液法合成的半导体纳米颗粒。其中PbS、PbSe量子点由于具有优异的光电特性而被广泛应用于太阳能电池、红外探测器等光电器件中。在量子限域效应的作用下,量子点的各种性质均和量子点的尺寸密切相关,所以制备出单分散的胶体量子点是构建性能优良的光电器件的基本要求。

为了得到单分散的胶体量子点,张长旺等人在前期工作的基础上,提出在阳离子交换反应中不断注入小尺寸量子点,通过量子化的奥斯特瓦尔德熟化实现量子点的生长和尺寸分布的收缩。该方法可以制备出高度单分散的PbSe和PbS量子点。因为高度的尺寸均匀性,这些量子点自发地组装成2维密堆积和3维超晶格。此外,所得量子点展现出极好的稳定性,在80度空气中加热4小时并不会对其有效尺寸产生影响。该方法的提出将量子点的生长控制提高到了新的高度,所得稳定和高度单分散的量子点为量子点的基本特性研究和器件应用提供了良好的材料基础。相关工作已申请1项国家发明专利。

该工作得到了国家自然科学基金(51302096)、武汉市基础研究基金(2016060101010075)等项目的支持,论文链接http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.7b00411


       3月27日,《自然•能源》(Nature Energy)在线发表了武汉光电国家实验室唐江教授课题组的关于稳定无毒硒化锑薄膜太阳能电池的研究新成果,该论文题为“Stable 6%-efficient Sb2Se3 solar cells with a ZnO buffer layer”。

       在能源危机和环境压力下,全球范围内掀起了新能源的研究浪潮,太阳能应用独占鳌头。薄膜太阳能电池具有制作成本低、弱光和高温发电性能好、轻质可柔性等特性,在光伏建筑集成、移动供电等方面相对硅基太阳能电池具有竞争优势。目前市场上最成功的薄膜太阳能电池是碲化镉(CdTe)电池,但Cd剧毒而Te非常稀缺。唐江教授课题组自2012年建组以来一直专注于新型硒化锑(Sb2Se3)薄膜太阳能电池研究。课题组先后在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)、《ACS应用材料与界面》(ACS Applied Materials and Interface)、《应用物理快报》(Applied Physics Letters)、《光伏进展》(Progress in Photovoltaics)以及《自然·光子学》(Nature Photonics)刊发论文,研究证实硒化锑具有类似碲化镉的材料简单、制备快速、光电性质优异等核心优势,但硒化锑本身无毒且元素丰度高,有希望成为“绿色的碲化镉”,发展潜力巨大。

      该研究采用硝酸锌水溶液喷雾热解的方法制备氧化锌(ZnO)代替了之前的硫化镉(CdS)作为硒化锑薄膜太阳能电池的缓冲层,材料本身和制备方法都是绿色、经济的。由于硒化锑是一维链状材料,即(Sb4Se6)n的分子链通过范德华力在两个方向上堆积而成,类似于结晶一维高分子,因此其薄膜取向非常重要,对器件性能有极大的影响。实验发现,随机取向的氧化锌能诱导[221]取向的硒化锑薄膜,而[001]取向的氧化锌则诱导出[120]取向的硒化锑薄膜;基底和硒化锑薄膜取向高度关联。界面原子模型分析显示随机取向氧化锌表面暴露出更多的(100)面,有利于与随后生长的硒化锑成键,降低界面总能量,从而实现取向诱导。由此制备的器件界面缺陷少,复合损失下降,偏压外量子效率谱和变温开路电压测试都证实了这一点。通过氧化锌成膜工艺和硒化锑背场处理的系列优化,最终取得了光电转换效率达5.93%的顶衬结构(FTO/ZnO/Sb2Se3/Au)的硒化锑薄膜太阳能电池,并得到Newport公司的第三方权威认证。更重要的,由此制备的太阳能电池在未封装条件下表现出优异的稳定性,能够经历双85(温度85 °C,湿度85%)、持续最大功率点工作、强紫外光照射、热震荡等苛刻的考验,稳定性基本达到薄膜太阳能电池应用工业要求的IEC61646标准。相对于硫化镉缓冲层,使用氧化锌缓冲层器件稳定性明显提高的原因是:i) 第一性原理计算显示Zn原子在硒化锑中的扩散能比Cd原子要大,高角暗场扫描透射电镜(HADDF-STEM)下的空间元素分布结果表明Cd在硒化锑中扩散接近50nm,而Zn的扩散则微乎其微,因此ZnO/Sb2Se3的异质界面扩散小,稳定性高。ii)单色光开路电压衰减测试也显示氧化锌的吸光少,光生空穴对硒化锑的破坏得到抑制。该研究不仅发展了一维链状材料取向调控的新思路与新方法,而且初步解决了太阳能电池应用四大关键因素(效率、稳定性、低成本和低毒性)中的后三点,实现了较大的进展。文章发表后美国材料学会(MRS)和物理学会(APS)会士,美国阿贡国家实验室Supratik Guha博士在同期的《自然•能源》(Nature Energy)撰写了“Buffer against degradation”的news&views的论述性文章,评论到“唐及其同事取得的毒性降低和稳定性提高是一个里程碑式进展”(The reduced toxicity and improved stability shown by Tang and colleagues are significant milestones)。

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      本研究工作得到国家重点研发计划、基金委重点研发计划培育项目和优青项目经费支持。博士生王亮,李康华和陈超,博士后李登兵为论文的共同第一作者,唐江教授为论文通讯作者。该工作也得到武汉光电国家实验室(筹)宋海胜副教授、李露颖副教授、牛广达副研究员,中科院半导体所邓惠雄副研究员,中山大学黄丰教授的支持和帮助,在此一并表示感谢。

       武汉光电国家实验室(筹)科研人员作为第一作者或通讯作者于2010年至2016年间在NatureScience Cell及其系列刊物上发表论文共17篇,其中在Science 发表4篇,Nature Photonics 2篇,Nature Communications 7篇。这些论文被SCI引用1995次,单篇最高被引用780次,篇均被引用117.35/篇。其中,陈炜教授作为第一作者发表在Science的“Efficient and stable large-area perovskite solar cells with inorganic charge extraction layers”,韩宏伟教授作为通讯作者发表在Science的“A hole-conductor-free, fully printable mesoscopic perovskite solar cell with high stability”,唐江教授作为通讯作者发表在Nature Photonics的“Thin-film Sb2Se3 photovoltaics with oriented one-dimensional ribbons and benign grain boundaries”以及王健教授作为第一作者及通讯作者发表在Nature Photonics的“Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing” 4篇文章入选了ESI高被引论文。

        同时,武汉光电国家实验室(筹)2009年至2016年在《Optics Letters(简称OL)和《Optics Express》(简称OE)上发表论文达到531篇,且在OEOL上的发文比重逐年递增。2009年单年在OEOL的发文量分别仅占两刊年度总发文量的0.981%0.459%,到2016年该比例分别上升到2.530%1.827%,增幅十分显著。同时,华中科技大学在OEOL的发文量由2009年的1.060%0.459%,上升至3.282%2.503%。武汉光电国家实验室(筹)和华中科技大学在OLOE两个光电领域的国际学术期刊的发文数呈逐年快速增长趋势(见下图)。OEOL发文量、发文增长速度以及论文被引频次与国内外知名光学机构相比,武汉光电国家实验室(筹)也名列前茅。

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                                         2009年至2016年武汉光电国家实验室(筹)在OEOL发文量百分比变化趋势

 

  注: 数据全部来自Web of Science®数据库,被引频次截止日期为2017215日。

          ESI高被引论文是指近10年内发表的SCI论文且被引次数排在相应学科领域全球前1%以内。




130日,《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)刊发我校武汉光电国家实验室(筹)周军教授、南京航空航天大学郭万林教授以及中山大学邓少芝教授和陈建教授领导的联合研究团队研究成果。该论文题为“Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials”。

液态水从环境中吸收热能转化为气态水是自然界中普遍存在的现象,这种水蒸发过程无时无刻地发生,也是云朵、雨水、晨露、雾气等自然现象的形成原因。来自我校、南京航空航天大学和中山大学组成的联合研究团队则关注如何利用这种自然现象从环境中获取额外的能量,经过多年的持续的努力,取得了阶段性研究进展。他们发现水在经过退火与等离子处理过的酒精碳黑薄膜表面蒸发时,在自然环境下能够产生持续直流电压和电流信号,持续时间超过160小时,电压可以达到1.0 V。这种器件可以像电池一样进行串联和并联,4个器件串联就能产生约4.8伏的电压,足以驱动显示华中科技大学校徽logo的液晶显示屏。进一步研究表明,碳黑薄膜在退火和等离子处理过程中引入的亲水官能团在发电过程中起到了关键作用,这种发电现象是由水在蒸发(吸收环境中低品质热能)过程中带动水在碳黑薄膜内部纳米孔道的定向流动所引起的,其电压产生机理与流动电势(stream potential)相关。

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这种发电现象可以在多种不同的纳米结构碳材料中观察到,是一种普适的现象。与传统的利用外在压力梯度或化学浓度梯度等驱动产生的流动电势相比,该研究仅利用非常简易的材料和装置即可将自然环境中无处不在的低品质热能自动转化为高品质电能。在后续的研究中,该研究团队将继续深入研究内在机理,通过优化材料和器件提高电能的输出和相应的能量转换效率,并进一步拓展其在污染物降解、海水淡化等方面的潜在应用。

据悉,周军教授课题组于20107月开始启动本研究工作,经过整个联合研究团队的多年精诚合作,最终取得了阶段性研究成果。我校为本研究论文第一作者单位,薛国斌、许莹(南航)、丁天朋、李嘉等4位同学为共同第一作者,周军教授和郭万林教授为共同通讯作者。该研究受到国家自然科学优秀青年基金、国家自然科学基金面上项目、中组部万人计划青年拔尖人才支持计划、高等学校优秀博士学位论文作者专项资金以及武汉光电国家实验室主任基金等项目的支持,以及联合研究团队的多位合作者的长期帮助,在此一并表示感谢!

 

 

论文链接:

http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.300.html

 

其他学术媒体报道链接:

1.      http://www.x-mol.com/news/4977 (水蒸发,能发电?Nature子刊报道中国科学家的突破

2.      http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/feb/06/water-evaporation-generates-electrical-energy (Water evaporation generates electrical energy)


      29日,《自然·通信》(Nature Communications)刊发我校武汉光电国家实验室(筹)董建绩教授、丹麦技术大学丁运鸿博士和Asger Mortensen教授合作研究成果。该论文题为“Slow-light-enhanced energy efficiency for graphene microheaters on silicon photonic crystal waveguides”。

       在“互联网+”的时代,每个人都在享受着信息产业的蓬勃发展给生活所带来的前所未有的便捷体验,高速的4G/5G网络、五花八门的手机APP、智能家居、无人驾驶汽车……所有的这些我们耳熟能详的“高大上”科技产品,无一例外地都依赖于其背后的高性能数据处理、传输核心器件。在传统的核心器件中,大多都是以电子作为信息的载体,然而,由于“电子瓶颈”的存在,使得传统的电子器件越来越难以满足现代社会急剧增长的大带宽、低能耗的数据传输与处理的要求。而将光作为信息的载体,能充分利用光信号所具有超高速、大带宽、低处理能耗的特点,这使得集成光子器件成为了替代传统的电子器件的最佳选择。为了保证集成光子器件的灵活性和可塑性,由金属材料制作的纳米热电极,常被铺设在集成光波导上,利用光波导折射率对温度的敏感性(热光效应),达到调控集成光子器件的目的。然而,由于金属对通信波段的光信号有着强烈的吸收损耗,在实际应用中,金属热电极与光波导之间必须设有一层较厚的氧化物作为隔离,正是由于这层氧化物的存在,导致大部分热量都被氧化层所阻断,无法高效到达目标波导,这直接导致调控所需的能耗较高,调控的速度也较慢,只能达到毫秒(10^-3秒)量级。这些因素都严重限制了集成光子器件进一步发展和应用。

       来自华中科技大学武汉光电国家实验室和丹麦技术大学的科研人员通过对集成光子器件的调控问题进行长期实践与探索后认为,将石墨烯与慢光效应相结合是解决这个问题的一个有效方案。作为一个近年来频繁出现在人们视线中的热门词汇,石墨烯因为其所具有的许多独特而又奇异的物理性质,成为了科学界和产业界追逐的焦点。石墨烯由碳原子按照呈蜂巢型六角晶格排列构成,它是一种只有一个原子厚度的二维特殊材料。因此,它有着许多其他常规材料所不具备的特殊物理性质,例如,它几乎是透明的,只吸收2.3%的光;它的导热系数高达5300 W/m·K,是迄今为止导热性最好的材料之一。这两个极为优良特性意味着它可能是传统金属热电极的最佳替代者。因为相比于传统的金属电极,由于石墨烯对光极低的吸收率,使得石墨烯作为热电极可以紧紧的贴合在光波导的表面,而几乎不用考虑石墨烯对光的吸收所带来的损耗,避免了氧化层带来的热能损耗;同时,石墨烯极高的导热系数意味着它能以极快的速度将热运送至光波导上,使得调控速度大大提高。


1 慢光增强的石墨烯热电极结构示意图与扫描电子显微镜图

        更为巧妙的是,通过将传统的普通光波导设计成具有特殊能带结构的光子晶体波导后,再将石墨烯放置在光子晶体波导上,石墨烯热电极的性能可以得到进一步的大幅度提升,如图1所示。这是由于在光子晶体波导中,光在其中的传播速度被减缓至真空中的1/30,这使得光信号的有效加热长度大大增加,从而进一步大幅度降低了对光信号调控所需的能耗。

        基于以上的理论支持,武汉光电国家实验室的张新亮教授团队成员董建绩教授和丹麦技术大学(DTU)丁运鸿博士、Asger Mortensen教授开展合作研究,制作出了慢光增强的石墨烯热电极器件。器件的测试结果显示(图2),慢光增强的石墨烯器件的热调效率高达1.07 nm·mW-1,相比于无慢光增强的器件提高了近一倍,使得光信号达到360度相移所需的能耗仅为3.99 mW,低于绝大多数传统工艺制作的金属热电极的能耗;同时,光信号开关速度快至550 ns,相比于传统的金属热电极的调制速度加快了近3个数量级,是迄今所报道的调控速度最快的纳米热电极。此外,该器件的综合评价指标(FOM)为2.543 nW·s,比已经报道的性能最佳的纳米电极的综合评价指标高30倍,被评价为迄今为止综合性能最佳的纳米热电极。考虑未来大规模集成光子回路中各种调控单元需要用到大量的微纳加热器,在能耗和调控速率上存在诸多挑战,因此本项研究成果有望在未来的大规模光子集成回路如集成化相控阵雷达、光学任意波形产生器等通信、国防关键器件上得到广泛应用。20

2 慢光增强的石墨烯热电极测试结果图

       该项成果于201729日发表于世界顶级综合类学术期刊《Nature Communications》,博士生严思琦为该研究论文第一作者,董建绩教授、丁运鸿博士为通讯作者。该项研究得到了中国国家自然科学基金委优秀青年基金(No. 61622502),丹麦独立研究基金 (DFF-133700152 DFF-133500771)和丹麦国家研究基金项目(Project DNRF103)的支持。

参考文献:

[1] Yan S., Zhu X., Frandsen L. H., Xiao S., Mortensen N. A., Dong J., and Ding Y. Slow-light-enhanced energy efficiency for graphene microheaters on silicon photonic crystal waveguides. Nat. Commun. 8, 14411 doi: 10.1038/ncomms14411 (2017).

全文链接为:http://rdcu.be/o8w3 


       每年在美国召开的光纤通信会议(Optical Fiber Communication Conference, OFC)被公认为是光纤通信领域中全球规格最高、规模最大、历史最悠久、专业性最强、影响力最大的国际性学术盛会,吸引了世界各地光纤通信领域的专家学者参会开展学术交流。各国专家学者济济一堂,研讨分析影响光纤通信行业发展的科技推动力的来源,获取创新灵感。

       OFC在光纤通信领域极富学术声誉,会议论文录用门槛极高。以前,国内每年仅有数篇论文能获得OFC录用。近年来,随着国内光纤通信研究水平的提高,国内在OFC的录用论文数也逐年增加。

       在刚刚结束的2016OFC会议上,华中科技大学光学与电子信息学院刘德明教授团队取得两项骄人成绩:一是以10篇录用论文名列单一团队录用论文数全球第一,二是刘德明教授指导的博士毕业生钱银博获得OFC颁发的Journal of Lightwave Technology最佳论文奖(全球唯一)。

       这次OFC会议录用的还有8篇来自于我校光电国家实验室的论文,华中科技大学以总数18篇论文排在荷兰埃因霍温理工大学和美国乔治亚理工大学(均为14篇)之前,录用论文数名列全球第一名。国内高校北京邮电大学被录用论文9篇,清华大学被录用论文8篇。

       近年来,刘德明教授团队实施大平台、大团队、大项目、大成果战略,先后获得国家自然科学基金重点项目和重大项目,973863,国家重大科学仪器专项以及国防重大项目和光电信息学院国际合作基金的资助,十二五团队科研经费总数突破2亿元,在光通信器件、高速光传输、宽带光接入网、物联网光接入以及光信息安全和IPv6接入与信息服务等领域的科学研究取得重大创新突破。这次OFC录用了周慧斌、张科、冯振华、于大伟和卢鲁璐子等研究生五篇口头报告以及叶尧、罗亦扬、林睿、甘霖和夏子杰等研究生五篇张贴报告。刘德明教授率团参会并与国内外专家进行了深入研讨、交流,宣传了华中科技大学的科研实力,寻找国际合作机会,并初步确定了与多家国外高校和企业的交流合作计划。

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201674日,《自然·通讯》(Nature Communications)刊发了华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)生物医学光子学功能实验室骆清铭教授团队的研究成果。该论文题为高通量双色精准成像获取具有细胞构筑标识信息的全脑连接组(High-throughput dual-color precision imaging forbrain-wide connectome with cytoarchitectonic landmarks at the cellular level

精准分析神经解剖结构对于理解和认识大脑神经网络的连接方式及协同工作机理,具有至关重要的作用。研究已表明不同功能的神经元具有不同的形态、大小及位置,即使同一类型的相邻神经元在形态与投射路径上也存在差异。因此,精确定位神经元及其纤维的投射路径是准确识别全脑神经结构空间组成的前提条件。传统研究中,为了对神经元和神经环路进行定位,人们只能采用手工操作的方式,先将完整脑切为薄片、再对每一张脑片分别进行成像,最后将成像结果与参考脑图谱进行对照,确定感兴趣图像所在的位置。这种做法不仅耗时费力,而且对于需要在全脑范围获得每一个神经元的连接路径而言,无疑是有着明显的缺陷,即完整脑被分离为多张图片,在后期图像重建时难以准确实现神经纤维的连接关系;并且将脑组织图像与参考脑图谱相配准,忽视了个体差异可能造成的定位误差。

华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)骆清铭团队另辟蹊径,提出了一种称为全脑定位系统(Brain-wide Positioning SystemBPS)的全自动显微成像方法,在单细胞水平能够解析及定位全脑神经结构。该方法主要包括两种新技术:在全脑成像的同时进行细胞构筑的实时染色;具有宽场大容积层析成像特点的高通量多通道全脑显微成像系统。利用BPS方法,可以在3天内以0.32 × 0.32 × 2.0 微米的体素分辨率,获取鼠脑内荧光标记的神经元及其共定位细胞构筑的全脑数据集。BPS方法不仅将单神经元水平获取小鼠全脑连续图像的时间,从十几天缩短到三天,而且可以同时在细胞水平获取每个神经元的解剖坐标。

该团队提出了实时复染的新概念,具有简单和准确的特点。无需额外的样本准备,利用细胞构筑染料的低渗透率实现了待成像表面细胞的实时复染,取代了生物学中常用的复染完整全脑的做法,这一策略还避免了来自深层组织的背景荧光干扰。通过对同一视场的荧光标记神经元与细胞构筑的同时成像,无需再做解剖定位和双通道图像的配准,既具有准确的优势,又可以节省大量的时间,直接得到全脑连接组的精确三维图像结果。这一概念还可以推广到其他基于机械切削的全脑光学成像技术,如STPfMOST技术等。

该团队所发展的高通量成像技术,有效地缩短了单神经元分辨水平的全脑光学成像数据获取的时间。数据获取时间是决定全脑光学成像能否成为常规神经生物学研究工具的重要因素。目前高分辨率的全脑光学成像技术都是采用点扫描的成像方式,难以提高成像通量。我们利用宽场成像的通量优势以及结构光照明对焦外背景的抑制作用,实现了快速完成完整鼠脑的高分辨率体成像。利用BPS获取的全脑成像数据集具有高连续性和高分辨率的特点,因此可以在全脑范围重现神经环路的投射路径,以及追踪神经元的精细形态,包括树突、树突棘、轴突和终扣等。 

利用具有高通量和自配准特点的BPS技术,该团队在文章中展示了4套不同类型神经元及其投射的双色全脑成像数据集,并辅以多张结果图和动画,证明其技术特点和示范其应用范围。该技术不仅可以用于准确定位神经元和定量分析其三维精细形态,还可以借助于细胞构筑信息,识别出单个神经元或特定功能神经环路的投射所途径的核团与脑区。研究人员称,这一方法有望加速未来细胞水平的脑连接图谱研究,实现从二维图谱向精准个性化的三维图谱发展,将助力细胞类型、环路连接等方面的研究。

此项工作由华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)生物医学光子学功能实验室龚辉(并列一作)、许冬力(并列一作)、袁菁、李向宁、郭聪迪、彭杰、李宇昕、Lindsay A. Schwarz(美国斯坦福大学)、李安安、胡碧荷、熊本义、孙庆涛、张亚伦、刘杰鹏、钟秋园、许彤辉、曾绍群和骆清铭(通讯作者)共同完成。

该研究得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金以及武汉光电国家实验室(筹)主任基金等项目的支持。

全文链接:

http://www.nature.com/ncomms/2016/160704/ncomms12142/pdf/ncomms12142.pdf

全脑网络可视化研究团队已发表的论文和共享的数据库与软件,请通过网址 http://vbn.org.cn下载。





 617日,Science子刊Science Advances在线刊发了陈炜教授合作论文,题为Efficient solar-driven water splitting by nanocone BiVO4-perovskite tandem cells的研究成果。其研究开发的一种新型电池,不仅提高了电池分解水制备氢气的效率,并且具有良好的稳定性。该项研究在开发利用绿色可再生能源上又迈出了重要一步。 

 目前,全球能源和环境问题日趋严峻,开发利用绿色可再生能源具有普遍而深远的社会意义。科学家们一直致力于人工光合作用研究,自1972FujishimaHonda后,以光电化学电池来分解水制备氢气成为近年来热门的研究方向。

然而,迄今为止,直接利用单一的光电化学电池来分解水的效率仍旧较低(~2%),主要受限于以下几个问题:(1)适合带宽和能级的半导体材料但吸光不足(如TiO2);(2)光吸收较好的半导体材料但导电性差(如BiVO4WO3Fe2O3);(3)都满足要求的半导体材料但稳定性差(如硫化物)。

针对这些问题,武汉光电国家实验室的陈炜教授(论文共同一作之一),与清华大学的邱勇才博士(第一作者)、张跃刚教授(通讯作者)、美国斯坦福大学的崔毅教授(通讯作者)等合作发展了一种BiVO4纳米锥/钙钛矿串联叠层电池。首先,将光吸收和光稳定性良好的多孔Mo掺杂BiVO4薄膜(Mo:BiVO4),沉积于具有优良限光性质的导电修饰纳米锥基板上,从而得到较好的光吸收和电荷分离效果,然后通过与稳定性、效率俱佳的反式平面钙钛矿太阳能电池串联,实现了无外偏压辅助下的水分解制氢,光到氢的能源转换效率达到6.2%。该串联电池可以持续产氢10个小时以上,说明这种结构具有良好的稳定性。



        由科技部、发展改革委、财政部、军委装备发展部等18个部门和单位联合主办的“国家‘十二五’科技创新成就展”已于67日在北京展览馆圆满结束。本次科技创新成就展览以“创新驱动发展,科技引领未来”为主题,对“十二五”期间中国科技创新所取得的重要成就进行了全方位展示。展会期间,武汉光电工研院孵化成果显微光学切片断层成像仪器(BioMapping 1000)受到了各界的关注,众多领导、媒体、光电领域的企业人员和科研人员到展位参观。

        拥有自主知识产权的显微光学切片断层成像系统(MOST)技术相对于传统成像技术优势明显,创造出迄今为止最精细的小鼠全脑神经元三维连接图谱,为实现全脑网络可视化创造了必要条件。基于MOST技术的BioMapping 1000设备是一种拥有自主知识产权的全新生物组织三维显微镜,是世界上唯一一种可对数厘米大小样品进行亚微米分辨精细结构三维成像的仪器,基于该设备的脑连接图谱研究是认知脑功能并进而探讨意识本质的科学前沿,这方面探索不仅有重要科学意义,而且对脑疾病防治、智能技术发展也具有引导作用。

        MOST技术及BioMapping 1000设备在光电工研院培育企业武汉沃亿生物有限公司孵化,沃亿生物成立于20123月,经过光电工研院孵化成为武汉市高新技术企业和“3551人才”企业。

 

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科技部党组成员、中央纪委驻科技部纪检组组长郭向远参观武汉沃亿生物有限公司展台


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华中科技大学骆清铭教授接受《求是》杂志社采访,介绍显微光学切片断层成像仪器的应用



        由骆清铭教授、龚辉教授研究团队获取的一套大鼠全脑高分辨数据集,近期发布在欧盟人脑计划(Human Brain Project, HBP)的神经信息平台(Neuroinformatics Platform, NIP)上。这标志着该团队建立的“鼠脑最精细脑图谱基础数据库”为欧盟人脑计划正式采用。

        此次发布在HBP- NIP上的数据集由该研究团队独立完成,样本为Golgi-Cox法染色的Sprague Dawley大鼠全脑,用显微光学切片断层成像(MOST)系统获取了全脑图像,成像分辨率为0.35μm×0.35μm×1μm,共包含16216层矢 状原始切面。该数据集也同时在全脑网络可视化(Visible Brain-wide Networks, VBN)网站进行了共享,访问地址为https://vbn.org.cn/2D/id3.html。

       HBP2013年经欧盟委员会批准发起的旗舰级拨款项目,汇集了欧洲神经科学领域的众多科研团队与神经科学前沿研究课题,有超过120个参与机构和 10亿欧元的项目资金。神经信息平台是HBP的重要组成部分,用于神经科学数据的发布与检索,近期发布的是神经信息平台的第一个公开版本,可直接通过 https://nip.humanbrainproject.eu访问。HBP还同时发布了脑模拟平台、高性能计算平台、医学信息平台、神经形态计算平台和神经机器人平台,可通过https://collab.humanbrainproject.eu注册、登录和使用。


        首台适用于人体临床的全数字正电子发射断层成像(PET)机器,日前在武汉光电国家实验室研制成功,其空间分辨率等核心指标比国际同类产品提升一倍。该成果来源于华中科技大学国家重大科学仪器设备开发项目超高分辨率PET的开发和应用,由武汉光电国家实验室(筹)研究员、华中科技大学生命学院教授谢庆国带领团队完成。这台基于自主知识产权技术的人体临床全数字PET,有望推动面向癌症早期检测的PET检查向普及化发展。

        实现精准医疗首要就是精准检测,没有精准检测就没有精准医疗,而精准检测的实现首要靠影像医学检测和基因检测。正电子发射断层成像是当前尖端的医学分子影像设备之一,在癌症早期检测等方面有巨大优势。据谢庆国介绍,首台人体临床“全数字PET”由300多个全数字PET探测模块组成,每个探测模块均使用先进的闪烁晶体及新型光电倍增器件。同时借助全数字采样和信号处理算法,其空间分辨率已达到2.2毫米,比当前进口设备的最高水平提升近一倍。该机器以“全数字”和“精确采样”两个本质特点完美诠释了什么是全数字PET

        此外,首台人体临床“全数字PET”对病人做全身时间仅需5分钟,耗时仅需要传统设备一半左右,实现了全数字PET检测“又快又准”。 “全数字PET”一旦进入临床应用,将大大提升医院服务患者的能力并降低PET检查的价格。

        生物医药及高性能医疗器械是《中国制造2025》的十大领域中的重点领域。据介绍,由我国自主创新的全数字PET,已成为业界大势所趋。德国西门子、荷兰飞利浦、美国通用电气等国际巨头已全面跟进,推出或布局它们的数字PET产品。首台人体临床“全数字PET”的成功研制,标志着我国在高端医疗仪器领域的自主研发取得了零的突破,在新一代医学影像技术相关领域取得了创新优势,相关核心知识产权的专利布局也已完成,有助于打破当前的市场被进口高端医疗仪器的垄断局面,实现产业的跨越式升级。

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  426日,由华中科技大学和武汉新瑞达激光工程有限责任公司共同完成的“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备(俗称激光3D打印技术)”顺利通过了湖北省科技厅成果鉴定。深度融合了信息技术和制造技术等特征的激光3D打印技术,由4台激光器同时扫描,为目前世界上效率和尺寸最大的高精度金属零件激光3D打印装备。该装备攻克了多重技术难题,解决了航空航天复杂精密金属零件在材料结构功能一体化及减重等“卡脖子”关键技术难题,实现了复杂金属零件的高精度成形、提高成形效率、缩短装备研制周期等目的。

  随着航空航天装备不断向轻量化、高可靠性、长寿命、低成本方向发展,一些关键金属零件复杂程度越来越高,制造周期要求越来越短,使得我国现有制造技术面临系列共性难题,如复杂薄壁精密零件结构-性能一体化制造技术,航空航天发动机叶片、涡轮等复杂精密零件的成形技术等,严重制约了航空航天装备技术水平的提高。

  金属零件的激光3D打印技术是各种3D打印技术中难度系数最大也最受国内外关注的方向之一。其中基于自动铺粉的激光选区熔化成形技术(Selective Laser MeltingSLM),主要特点是加工精度高、后续几乎不需要机械加工,可以制造各种复杂精密金属零件,实现结构功能一体化、轻量化,在航空航天领域有广泛的应用需求。但是,成形效率低、成形尺寸有限是该类技术的发展瓶颈。此前,我国在SLM技术领域与国际先进水平相比有较大差距,大部分装备依赖进口。

  华中科技大学武汉光电国家实验室教授曾晓雁领导的激光先进制造研究团队,在国家863和自然科学基金项目等资助下,经过十年的长期努力,在SLM成形理论、工艺和装备等诸多方面取得了重要成果,特别是突破了SLM成形难以高效制备大尺寸金属零件等瓶颈。

  项目率先在国际上提出并研制出成形体积为500×500×530mm34光束大尺寸SLM增材制造装备,它由4500W光纤激光器、4台振镜分区同时扫描成形,成形效率和尺寸迄今为止同类设备中世界最大。而此前,该装备最多使用两台光纤激光器,成形效率低。项目攻克了多光束无缝拼接、4象限加工重合区制造质量控制等众多技术难题,实现了大型复杂金属零件的高效率、高精度、高性能成形。先后自主研制出SLM系列多种装备,并采用国产的钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金粉末,实现了各种复杂精密零件的成形,其关键技术指标与国外水平相当。首次在SLM装备中引入双向铺粉技术,其成形效率高出同类装备的20-40%,标志着我国自主研制的SLM成形技术与装备达到了国际先进水平。已经有45种零件在20余种航天型号研制中得到应用,先后为航天发动机、运载火箭、卫星及导弹等装备中6种型号20余种产品进行了样件研制,5种产品通过了热试车,其中4种产品已经定型。先后有多台SLM装备被航天科技集团三大总体研究院用于航天零件的研制与批产,所研制的零件不仅大大缩短了产品的研制周期,简化了工序,更重要的是将结构-功能一体化,获得性能优良的、轻质的零件。

  SLM技术成形精度高、性能好、且不需要工模具,属于典型的数字化过程,目前在复杂精密金属零件的成形中具有不可替代性,在精密机械、能源、电子、石油化工、交通运输等几乎所有的高端制造领域都具有广阔的工业应用前景。

  由中国工程院院士王华明、武汉科技大学校长孔建益、首都航天机械公司研究员王福德、武汉大学教授赵兴中、程志毅、武汉理工大学教授华林、中国科学院半导体研究所研究员苏小虎等专家组成的鉴定委员会听取了由曾晓雁做的工作报告和技术报告,审阅了相关的鉴定材料,并现场考察了项目设备的运行情况。经过质询与讨论后,鉴定委员会一致认为该项目在SLM整体技术达到国际先进水平,其中在SLM装备的成形尺寸和效率达到国际领先水平,并建议进一步拓展材料与装备的应用范围。

  据悉,湖北省科技厅处长刘利华、华中科技大学科学技术发展院基地建设与成果管理处副处长黄坤华、主任陶端华、华中科技大学武汉光电国家实验室()副主任谢长生、周军出席了鉴定会。

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国在中长期科学与技术发展规划纲要中将研究开发超级电容器关键材料与技术列为重点发展的前沿方向之一。前期研究表明,具有超微內晶孔道的六方相WO3h-WO3)、h-MoO3等 过渡金属氧化物具有高的本征比表面积,并表现出优良的赝电容特性。如果能将这类材料制备出具有原子层厚度的二维结构,那么就可以让几乎所有的原子都暴露在 电解液中,从而实现离子的快速传输。此前报道的制备方法主要集中于制备具有本征层状结构的二维材料,而如何实现大尺寸的非层状结构二维材料的制备仍然是一 个挑战。

422日,《自然•通讯》(Nature Communications)杂志在线发表了武汉光电国家实验室(筹)周军教授、唐江教授与美国Drexel大学Yury Gogotsi教授(我校荣誉教授)及清华大学焦丽颖教授等的合作研究论文(Scalable Salt-Templated Synthesis of Two-dimensional Transition Metal Oxides, Nat. Commun. DOI:10.1038/ncomms11296)。他们采用盐(NaClKCl等)作为模板,利用盐表面和目标产物的晶格匹配,并结合盐中阳离子的诱导,首次实现了具有较大尺寸二维h-WO3h-MoO3的制备。该制备方法成本低廉、产量大,兼具传统气相沉积法和水热合成法的优点。同时,该方法具有普适性,可以扩展到其他非层状二维过渡金属氧化物的制备(例如,单斜相MoO2和立方相MnO)。进一步研究表明,所制备的二维h-MoO3六方具有优异的赝电容特性:在有机电解液中,电容值最大可达996 C/g2 mV/s扫速),接近于理论值(1005 C/g);在Al2(SO4)3电解液中,其体积电容达到了300 F/cm3,为目前报道的最高值。

博士生肖旭、宋怀兵同学为该研究论文共同第一作者,周军教授、唐江教授、Yury Gogotsi教授为共同通讯作者。上述研究工作获得了国家自然科学优秀青年基金、中组部“青年拔尖人才”、中组部“青年千人计划”及光电国家实验室主任 基金等项目的支持。该研究还得到了美国佐治亚理工学院王中林教授和丁勇博士的帮助,在此表示感谢。

周军教授是我校引进并培养的青年学者,致力于新能源材料及器件研究工作,2010年以来以我校为第一单位发表或接受通讯作者(含共同通讯)SCI论文38篇,包括Adv. Mater. (6篇)Energy Environ. Sci (2篇)Angew. Chem. Int. Ed. (2篇)Nano Lett. (2篇)等影响因子10.0以上论文29篇,其中6篇单篇引用超过100次,10篇入选ESI高被引论文。先后获全国优秀博士学位论文、国家自然科学优秀青年基金、中组部“青年拔尖人才”支持计划、“长江学者奖励计划”青年学者等学术奖励和人才计划。

唐江教授是我校引进并培养的青年学者,致力于新型光电材料的开发及其在能源器件中的应用,2012年以来以我校为第一单位发表通讯作者(含共同通讯)SCI论文30余篇,包括Nat. Photon. (1篇)Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.Adv. Funct. Mater.、Light Sci. Appl.等影响因子10.0以上论文7篇。他曾是PbS量子点和铜锌锡硫硒体系两项太阳能效率世界纪录获得者。先后获中组部“青年千人计划”、国家自然科学优秀青年基金。

  论文链接: http://www.nature.com/ncomms/2016/160422/ncomms11296/full/ncomms11296.html#supplementary-information





 2016315日,由中国科学院上海光学精密机械研究所和慕尼黑博览集团共同主办的“光学前沿——2015中国光学重要成果发布会”在上海上海新国际博览中心举行。武汉光电国家实验室许彤辉课题组“帕金森小鼠模型运动皮层神经环路的动态重建研究(Dynamic rewiring of neural circuits in the motor cortex in mouse models of Parkinson's disease)”,入选“2015中国光学重要成果”。

 许彤辉课题组主要利用双光子显微活体成像技术、结合动物行为学和电生理等实验手段,首次发现帕金森小鼠运动皮层神经环路发生形态和功能异常变化,为揭示该病认知障碍的机制提供了重要的新线索。该工作于20158月发表神经生物学顶级专业期刊Nature Neuroscience上。

“中国光学重要成果”是通过专家推荐、网络推荐、评委会评选等多个环节,最终选出20项获奖成果,以此促进这些研究成果在中国的传播。

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       表面等离激元共振是金属等材料表面的电子在外界电磁场作用下产生集体振荡的现象,能够在局部表面产生高强度高集中度的光场,对等离激元性质的调控在生物分子检测,超分辨聚焦,光学集成电路等领域具有重要意义。

       光学与电子信息学院12级本科生王力研究了一种调控石墨烯局域等离激元共振的新方法,首次提出利用柔性基底的机械可拉伸性对石墨烯条带表面等离激元的共振频率和耦合强度进行调控,并研究了一套理论解释其物理原理,文章“Mechanically tunable terahertz graphene plasmonics using soft metasurface”发表在英国皇家物理学会旗下著名期刊2D Materials(影响因子9.6)。

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        王力同学对微纳光子学领域有着浓厚的兴趣,怀着对科研极大的热情,他于20159月加入“青年千人计划”入选者臧剑锋教授的实验室,成为了软纳米材料与器件团队中的一员。加入团队后,王力与团队成员光学与电子信息学院2015级直博生刘欣合作进行等离基元共振的研究。软纳米材料与器件实验室已在软材料与纳米器件领域积累了一定的科研成果和科研经验,受此启发并结合自己在光电方面扎实的基础知识,王力提出研究近场光学和软材料的交叉学科的想法。在导师的指导下,王力完成了从课题的构思,设计,研究到论文撰写的全部科研过程,得到了系统的科研训练,毕业论文荣获华中科技大学优秀学士学位论文一等奖,并在国际著名期刊2D Materials(影响因子9.6)发表其研究成果。王力于20166月参加了国际柔性与可拉伸电子学会议(ISFSE),并在会议上进行了墙报展示,获得该会议的最佳墙报奖。目前王力已在臧剑锋教授的鼓励下赴香港深造。

       

   软纳米材料与器件实验室目前的研究重点是将石墨烯、二硫化钼等二维材料与仿生柔性材料相结合,融合软物质技术和纳米技术,设计和制造具有非凡性能的柔性功能材料和器件,来应对未来柔性光电子,能源和健康等前沿领域挑战。课题组目前的研究方向主要是柔性传感器,二维纳米光电子器件,柔性超材料等。

       团队注重学生综合科研能力的培养,鼓励挑战前沿课题,启发学生提出新的想法,大胆创新。实验室配备先进仪器设施,为学生提供了以软纳米材料与器件为核心的多学科交叉平台,全力支持学生进行实验和仿真来验证想法。同时为学生提供充足的机会参与国际高端学术会议以及出国交流深造。

       目前实验室有数位优秀本科生独立承担柔性电子、声学、光学超材料等方面的前沿课题,并都已取得一定的进展。臧剑锋教授在谈到本科生做科研时说,学院鼓励学有余力的优秀本科生进实验室做科研非常好,这也是国际上顶尖大学的通行做法。

         论文网址:http://dx.doi.org/10.1088/2053-1583/3/4/041007