分子碰撞是气体介质中普遍存在的一种现象。分子间的碰撞对耗散环境中的分子动力学过程有着重要影响。揭示分子碰撞耗散过程背后的物理机制，对研究真实气体体系中的分子动力学过程具有重大意义。以往基于分子排列回声技术，研究者在实验上观测到分子碰撞耗散过程中的非久期效应，并证明这种效应能够在时域上减缓由分子碰撞诱导的退相干过程。然而，这种效应只会在碰撞耗散前几皮秒时间内对系统产生显著影响，随着时间延迟的增加，该效应会迅速衰减。 最近，兰鹏飞教授团队何立新副教授基于分子排列技术对分子碰撞耗散过程进行了深入研究。首先，他们在实验中采用双折射平衡探测技术（如图1），研究了低气压条件下纯N2气体、N2-Ar、N2-CO2以及N2-He气体混合物中N2分子排列信号衰减率随气体密度的变化。同时，理论上建立了久期和非久期量子模型，分别模拟了实验中的分子碰撞耗散过程。通过理论与实验对比发现，实验结果与非久期理论模拟结果更加吻合（如图2）。这一结果首次揭示了分子排列耗散过程中的非久期效应。进一步通过研究系统退相干过程，研究团队发现，低压气体介质中非久期效应对碰撞耗散过程的影响可以持续数十皮秒甚至更长，这也是为什么该效应能够通过周期较长的分子排列信号来探测。这一研究结果挑战了传统的观点，即非久期效应对分子排列碰撞耗散过程的影响只会存在于激光脉冲激发后数皮秒内，使人们对耗散环境中的分子动力学过程有了更深的认识。 图1：（a）N2分子与气体混合物碰撞示意图。（b）N2分子排列实验测量装置示意图。（c）实验测量的N2分子排列信号。（d）N2排列信号强度随时间的变化。通过对该结果进行指数拟合，可以获得分子排列信号的碰撞衰减速率 图2：实验测量（圆圈）的N2与Ar（a）、CO2（b）、He（c）气混合时，排列信号衰减速率随混合物气压的变化。虚线和点线分别为久期（S）和非久期（NS）量子模型模拟的结果。实验结果与非久期理论结果更加吻合，揭示分子排列耗散过程中的非久期效应 查看详细>>

能源转化技术是现代科学和工程的重要研究方向，科学家们探索新型催化化学方法来实现能源化学物质的转化，如光催化、电催化等。然而，这些被人们寄予厚望的催化化学技术，在实际应用中还是存在一些问题，距离工业化还有一定距离。那么，能否超越催化化学，开辟一条全新的能源转化途径呢？ 最近，中山大学杨国伟教授研究组提出了一种新颖的激光制造清洁能源技术即液相激光发泡（laser bubbling in liquids,LBL），为能源清洁转化领域带来了新的希望。LBL是以脉冲激光在液相中诱导形成微气泡作为微反应器来进行化学反应。泡泡内的峰值温度可高达上万K，同时微气泡能够实现快速升温和降温，速率可达108 K/s。这显然是一个远离热力学平衡的状态，为化学反应提供了一个极端的环境。许多在常态下需要借助催化剂才能进行的化学反应，在小泡泡里面很容易就能发生。这种方法不仅不涉及任何催化化学过程（无需催化剂和复杂的催化反应装置），而且在常态下进行，简单、清洁、高效（图1）。很显然，对于在催化化学以外的常态条件下，去探索简单、绿色、高效的清洁能源制造技术来说，LBL方法打开了一扇大门，同时，也开辟出一条超越催化化学反应的道路。目前，杨国伟教授研究组与柯卓锋教授团队合作将LBL技术应用于清洁能源制造，取得了一系列重要的研究进展。 激光直接分解甲醇制氢 甲醇作为液体氢源，能够与水蒸气在催化剂作用下重整生成氢气和二氧化碳，该反应通常在200–300°C。虽然甲醇重整产氢技术较为成熟，然而催化剂的效率和稳定性亟待提升，副产物二氧化碳的处理仍是环保的重要课题。 曹玮玮博士与李胤午副研究员和闫波博士后合作采用LBL技术，在常温常压和无催化剂条件下，实现了氢气的超快速高效制备（图2）。更为重要的是，整个LBL作用过程没有二氧化碳生成，而是合成了更具有化工应用价值的一氧化碳。同时，他们对LBL反应过程的热力学和分子动力学进行了模拟计算，得出了甲醇分解的反应路径和热力学条件等。LBL方法无需复杂的反应器或苛刻的反应条件，操作简单且清洁环保，展示了其在未来清洁能源生产中的巨大潜力（Research 6（2023）0132，曹玮玮、李胤午、闫波为共同第一作者，杨国伟、柯卓锋为共同通讯作者）。 激光分解氨水制氢 氨（NH3）是一种易于压缩和液化的储氢物质，储存和运输较为方便。目前氨催化分解产氢使用的催化剂大多依赖贵金属，如钌（Ru）等，成本高昂、资源稀缺，且催化过程通常高于400°C。 闫波博士后与李胤午副研究员和曹玮玮博士合作应用LBL技术发展了从氨水中超快速高效提取氢气的新方法（图3）。他们选取水是作为氨的液相介质进行LBL制氢，选取水介质过程避免了氨气的压缩和冷却液化程序。他们利用LBL方法实现了高达33.7 mmol/h的氢气产率。他们进行了第一性原理模拟计算，得出了激光诱导氨分解的可能反应路径和反应热力学条件。未来的研究可以进一步探索LBL方法在其他化学反应中的应用（JACS 146（2024）4864，闫波、李胤午、曹玮玮为共同第一作者，杨国伟为通讯作者）。 激光直接全解水制氢和双氧水 水分解制氢是一种被广泛研究和应用的氢气制备方法，而氢气的燃烧产物也正是水，整个周期干净无污染。因此，水分解制氢吸引了广大研究人员的兴趣。然而水分解反应需克服较高的活化能，这对任何催化体系都是一大挑战。 闫波博士后和曹玮玮博士与湖南师范大学欧阳钢教授团队和中科院物理所孟胜研究员团队合作，实现了激光直接分解纯水制备氢气和过氧化氢（图4）。实验结果显示，该方法的激光光能到氢能的转化效率超过了大多数无牺牲剂光催化裂解水制氢的转化效率。他们通过理论计算与模拟，研究了激光诱导高能活性粒子诱导成核的过程，以及利用TDDFT深入研究了水分解生成氢气和过氧化氢的理论过程。研究结果表明，激光诱导的高温和快速冷却对于高效生成氢气和过氧化氢至关重要（PNAS 121（2024）e2319286121，闫波、Gu Qunfang、曹玮玮、Cai Biao为共同第一作者，杨国伟、欧阳钢、孟胜为共同通讯作者）。 液相激光直接还原二氧化碳为一氧化碳 二氧化碳还原制备一氧化碳是实现碳循环和减少温室气体排放的重要技术手段之一。电化学还原、光催化还原以及热催化还原等方法在二氧化碳还原反应中得到了广泛研究与应用，且可以和太阳能、风能等耦合，保障过程的可持续性。但其缺点在于催化剂的选择、稳定性与贵金属成本等问题，通常还需氢气、碳等还原剂，会产生额外的二氧化碳排放，违背绿色化学原则。 闫波博士后与李胤午副研究员和曹玮玮博士合作应用LBL技术研究了LBL技术在二氧化碳还原领域的应用（图5）。他们利用LBL方法在纯水中实现了二氧化碳到一氧化碳的高效还原。同时，他们通过密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨了二氧化碳还原机理和反应路径。未来，通过进一步优化激光系统、深入研究反应机理及探索多领域化学应用，来实现绿色化学和可持续发展的目标。 激光固氮合成氨和硝酸 将大气中的氮气和氢气在高温高压和催化剂的作用下反应生成氨（NH3）的过程，通常需要在催化剂作用下，在400–500°C高温和200–300个大气压的高压下进行，反应条件苛刻。其他方法如电化学固氮和光催化固氮等，均面临催化剂的选择与优化等问题，反应效率较低且操作条件受限，尚未工业化。 曹玮玮博士与李胤午副研究员和闫波博士后合作采用LBL技术，在仅纯水和氮气、无任何催化剂作用下，在室温室压条件下实现高效的氮气固化和活化，在LBL过程中实现了氮的还原反应（NRR）和氧化反应（NOR）。该研究证明了LBL方法可以在无催化剂的情况下，在常温常压下实现氨和硝酸的高效合成，具有重要的科学意义和应用前景（图6）。同时表明LBL技术在氮固化和活化中的优势，包括安全、简单、环保、易于控制和能耗低，并展示了其在工业应用中的潜力。 LBL技术作为一种新的激光制造清洁能源技术，实现了极端非平衡条件下的限域化学反应，能够在常态下实现高效能源化学品的清洁转化和制备，显示出了巨大的工业化应用潜力。未来的研究可以通过开发高效、低成本的激光器实现更高的电光转化效率，从而扩大和增强LBL反应规模。总之，通过持续优化激光系统、深入研究微观反应机理以及探索多领域化学应用，LBL技术可以被期待为一种催化化学之外的简单、绿色、高效的清洁能源制造技术和绿色合成方法。 图1.(a)LBL装置简图；(b)脉冲激光的作用周期示意图；(c)单个激光脉冲周期内微气泡的演化过程示意图 图2.液相激光分解甲醇制氢示意图 图3.LBL分解氨水制氢示意图 图4.激光分解水制氢过程示意图 图5.纯水中利用LBL技术将二氧化碳高效还原为一氧化碳示意图 图6.固氮合成氨技术发展史 查看详细>>

随着5G通信、万物互联、AR技术等新型通讯方式的兴起，全球对数据流量的需求飞速暴涨，实现高速率、大容量的数据传输已迫在眉睫。半导体被动锁模激光器在频域可产生毫瓦级、百GHz重频的相干光梳，在时域可输出亚皮秒级光脉冲，已成为实现波分复用、时分复用等大容量通信技术的最佳选择。其中，环形腔半导体被动锁模激光器（PML－SRLs）因其重频率精确控制、易于单片集成而备受关注，但是目前尚缺乏系统的理论研究，导致PML－SRLs进展缓慢，严重制约其发展和应用。 基于此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所半导体显示材料与芯片重点实验室的III－V信息光电子器件研究团队首次基于时域行波方程、载流子密度偏微分方程建立了PML－SRLs的理论模型，系统研究了该类器件的调控规律与设计优化准则。研究揭示出：PML－SRLs的工作状态取决于激光器中的增益－损耗的时域平衡，该平衡由PML－SRLs中的半导体光放大器（SOA）的载流子积累速率、可饱和吸收体（SA）的载流子寿命、环形谐振腔的往返时间三者之间的瞬态关系决定。此外，该工作首次发现使用具有窄增益谱的SOA与短谐振腔长的锁模激光器可导致输出脉冲合并，获得高能量光脉冲。该项工作解决了PML－SRLs系统理论缺乏问题，所揭示的物理机制与优化准则适用于所有类型的PML－SRLs器件，为其进一步发展和应用奠定了基础。 图1．（a）仿真PML－SRLs器件示意图；（b）稳定锁模状态下，SOA中剩余载流子密度、SA中光生载流子密度、SOA中产生光脉冲随时间变化关系；（c）窄增益谱的半导体光放大器与短谐振腔长配置导致输出脉冲合并的演化图 查看详细>>

III-族氮化物多采用蓝宝石衬底异质外延生长，由于大的晶格失配和热失配，导致高密度穿透位错（108-1010），极大地影响氮化物发光器件、电子电力器件性能。中国科学院半导体研究所刘志强研究员团队长期聚焦氮化物生长界面研究并形成系列研究成果，明确了原子尺度氮化物/蓝宝石生长界面构型，阐明了原子尺度界面应力释放机制。近期，半导体所刘志强研究员团队与北京大学高鹏教授，福州大学吴朝兴教授、郭太良教授，韩国汉阳大学Tae Whan Kim教授团队合作，在氮化物位错演化机制及光电神经网络器件研究领域取得新进展。 当前对于穿透位错的有效抑制手段有限且低效。为了进一步揭示氮化物生长界面的原子尺度位错演化过程，有效降低穿透性刃位错密度，半导体所刘志强研究员团队与北京大学高鹏教授团队开展合作，对GaN/Al2O3界面进行了平面高分辨透射电子显微镜（HRTEM）分析，同时观察到了摩尔图案（Moirépatterns）变形和失配位错的终止；并对摩尔图案变形区域进行原子级表征，基于原子结构以及伯格斯矢量分析，确定导致摩尔图案变形的缺陷类型为穿透刃位错，从而证明外延层中的穿透刃位错起源于界面处失配位错的融合反应（图1-2）。基于此氮化物穿透位错演化机制的新理解，研究人员构建了滑移界面，降低了滑移势垒，引入了新的应力释放途径，从而揭示了氮化物生长界面位错原子级演化过程，提出了从源头上抑制位错生成的外延新思路，最终实现GaN外延层穿透刃位错密度降低近一个数量级。 基于高质量外延材料的氮化物光电器件是实现类脑神经网络的技术路线之一。半导体所刘志强研究员团队与福州大学吴朝兴教授，郭太良教授、韩国汉阳大学Tae Whan Kim教授团队合作，构建了基于高质量nano-LED的人工感知神经网络，模拟了人类神经系统中的多通路信号传递过程。 人脑神经元的应答是即时、高度并行、复杂输出的，构建仿生神经形态电子系统是类脑计算领域的重要研究课题。在交流脉冲驱动下，nano-LED生成具有记忆效应的电致光信号脉冲，利用光脉冲波形中的特征波峰对多个分布式传感器的电信号进行编码，并在人工感知神经网络中无串扰同步传输。构建的人工感知神经网络成功模拟了人脑的触觉感知，识别准确率达到98.88%。 图1 GaN/Al2O3界面STEM-HAADF刃位错直接观测图像及原子结构示意 图2 GaN/Al2O3界面穿透刃位错演化机制 图3基于记忆电致发光的传入神经系统示意 查看详细>>