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【揭示】中科院研究揭示固态电解质纳米尺度失效机制；

5 天前 / 阅读约16分钟

来源：集微网

【揭示】中科院研究揭示固态电解质纳米尺度失效机制；

1.澳门大学冼世荣教授莅临一微分享集成电路领域前沿洞见；

2.中科院苏州纳米所孙钱团队与合作者在氮化镓紫外探测领域取得新进展；

3.中科院燃料电池低铂催化剂研究取得进展；

4.中科院研究揭示固态电解质纳米尺度失效机制；

5.“快快网络”杯2025年厦门大学电子设计竞赛颁奖典礼顺利举办；

1.澳门大学冼世荣教授莅临一微分享集成电路领域前沿洞见；

5月22日，IEEE Custom Integrated Circuits Conference（CICC）ADC委员会副主席、澳门大学微电子研究院副院长（学术）、模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室副主任冼世荣教授受邀莅临一微，围绕集成电路设计与微电子技术发展作专题学术报告。本次活动吸引了公司各部门对ADC技术研发与应用感兴趣的多位同事积极参与，进行专题研讨和案例分享，现场互动效果超出预期，为后续技术攻关提供了有益思路。

讲座中，冼世荣教授以“国际前沿ADC最新研究方向发展”为主题，结合学术界最新研究成果及行业案例，深入剖析了模拟数字转换器（ADC）的核心技术挑战与发展趋势，探讨了产学研协同创新对集成电路产业生态的推动作用。他提出，未来微电子领域需进一步强化产学研合作，加速国产芯片技术突破，为现场听众提供了前瞻性思考。

作为ADC领域的权威专家，冼世荣教授长期致力于高性能集成电路设计研究，其团队多项成果已实现产业化落地。本次讲座为行业从业者搭建了深度交流平台，助力产学研资源对接与技术转化。活动结束后，与会者纷纷表示收获颇丰，期待未来更多跨界合作机会。

一微始终聚焦科技前沿动态，将持续邀请海内外顶尖学者分享创新成果，致力于推动微电子领域的技术进步与人才培养。

2.中科院苏州纳米所孙钱团队与合作者在氮化镓紫外探测领域取得新进展；

紫外光电探测器作为紫外光信号感知与转换的核心元件，在航空航天、防灾减灾及生态监控等领域具有战略意义。氮化镓（GaN）材料凭借其3.4 eV的宽禁带特性和直接带隙结构，是制备高性能紫外探测器的理想选择之一。然而，受限于材料本征缺陷及常规器件结构设计，现有的GaN基金属-半导体-金属（MSM）/PIN型探测器通常存在响应度低、紫外-可见截止比小、响应速度慢、暗电流偏高等瓶颈问题，严重制约了其在瞬态光信号捕获、高精度计量等尖端领域的实际应用。

中国科学院苏州纳米所孙钱研究员团队与土耳其博卢阿巴特伊兹特贝萨尔大学Yilmaz Ercan教授团队展开联合攻关，成功开发出基于常关型GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的高性能紫外探测器，显著提升了响应度、紫外-可见截止比、响应速度，为智能传感、环境监测等领域提供了创新解决方案。该系列研究工作发表于ACS Photonics 11,180 (2024)、Applied Physics Letters 126,192101 (2025)、IEEE Transactions on Electron Devices 72,1993 (2025)。

高速P型栅GaN HEMT紫外探测器

研究团队设计并制备了基于P型栅GaN HEMT结构的紫外探测器，其核心性能指标表现优异：在360 nm紫外光照射下，器件实现了8×10⁴ A/W的光响应度与1.8×10⁶的紫外/可见光抑制比。通过栅极p-n结内建电场对持续光电导效应的有效抑制，实现了亚毫秒级快速响应特性，实测瞬态光照响应的上升/下降时间分别达到0.12 ms和1.0 ms。器件的暗电流5.44×10⁻⁷ A、光电流4.42×10⁻³ A、外量子效率2.77×10⁵ %、探测率8.31×10¹⁴ Jones。本研究提出的新结构实现了光电导型探测器的高灵敏度与光伏型探测器的快速响应优势的融合，在紫外信号探测与空间科学监测领域具有重要的应用价值。

该工作以High-Speed Ultraviolet Photodetector Based on p-GaN Gate HEMT for Flame Monitoring为题发表于IEEE Transactions on Electron Devices 72,1993 (2025)。

图1. (a) p型栅氮化镓HEMT探测器的结构示意图、(b) 240 – 400 nm紫外光响应谱、(c) 瞬态光响应测试的电路示意图、(d) 瞬态光响应测试波形。

在实际应用中，紫外光电探测器需要暴露于包括大温度变化范围在内的多种复杂环境条件下，这对其光电检测性能的稳定性提出了新的挑战，尤其在深空探测、极地科考等尖端领域，器件需要面临低温的工作环境。这种温度的变化可能导致检测信号失真、误报率升高乃至器件失效。研究团队依托纳米真空互联实验站，采用紫外-太赫兹全光谱光电测试探针台，对基于p型栅GaN HEMT的紫外光电探测器在低温环境中的光响应特性展开了系统而深入的研究工作。研究结果显示，该器件在低温运行条件下，峰值响应率、光暗电流比以及探测率分别达到了2.8×10⁶ A/W、3.7×10⁸与3.2×10¹⁹ Jones，上述数据表明该器件在低温探测应用场景下的巨大潜力。研究团队进一步解析了光生载流子与材料缺陷之间的复杂相互作用机制。通过对光电流衰减行为的分析，明确了两个陷阱能级在不同温度区间主导了载流子复合动力学过程。这一发现不仅为阐释器件的持续光电导现象提供了关键实验证据，更为提升低温光电探测器的探测率与响应速度等核心性能指标指明了方向。

该工作以Photoresponsivity of p-GaN HEMT-based ultraviolet photodetectors at low temperatures为题发表于Applied Physics Letters 126,192101 (2025)。

图2. (a) 紫外-太赫兹全光谱光电探针台的照片、(b) 变温条件下光电流特性测试、(c) 响应度随温度及光强变化的变化关系；(d) 不同温度下的瞬态光电响应特性测试。

高响应度凹槽栅AlGaN/GaN双沟道HEMT紫外探测器

为了进一步提升HEMT探测器的响应度，解决p-GaN栅吸收紫外光导致的损耗问题，研究团队创新性地提出了AlGaN/GaN双沟道紫外光电探测器的结构。该器件通过双二维电子气沟道设计实现了性能突破：一方面，采用原位生长的超薄AlGaN下势垒层，不仅使器件具备常关工作特性，简化了电路设计并降低功耗；另一方面，通过在AlGaN/GaN异质结中引入GaN插入层，有效缓解了刻蚀工艺对主导光电流的下层二维电子气沟道产生的损伤。实验表明，在9.7 μW/cm²紫外光照射下，器件展现出2.1×10⁷ A/W的高响应度和1.7×10¹⁵ Jones的比探测率，证实了其对弱光信号检测能力。同时，在500 Hz脉冲光照条件下，器件仍保持了优异的瞬态响应特性。这种兼具工艺简洁性和性能优势的双沟道结构，为开发新一代高性能紫外光探测器提供了创新的技术路径，在光通信、空间探测等领域具有重要应用前景。

该工作以Ultrahigh-Responsivity Ultraviolet Photodetectors Based on AlGaN/GaN Double-Channel High-Electron-Mobility Transistors为题发表于ACS Photonics 11,180 (2024)。

图3. (a) AlGaN/GaN双沟道HEMT外延结构的截面透射电镜图像、(b) 器件结构示意图、(c) 不同光强下光电流特性测试、(c) 响应度随光强变化的变化关系。

上述工作得到了中国科学院国际合作项目等资助，同时得到了半导体显示材料与芯片重点实验室、纳米真空互联实验站（Nano-X）、纳米加工平台、测试分析平台等部门的支持。

3.中科院燃料电池低铂催化剂研究取得进展；

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因高效环保成为清洁能源领域的重要发展方向，但其阴极氧还原反应（ORR）依赖高负载铂（Pt）催化剂，成本与资源稀缺性限制了PEMFC大规模应用。Pt基金属间化合物虽能降低Pt用量，但其高温有序化过程中纳米颗粒易烧结长大，导致活性衰减。传统抗烧结策略（如载体工程、空间隔离）难以解决高金属负载（≥40 wt.%）下的烧结难题，因此亟需从热力学本质上探索降低纳米颗粒表面能的新方法。

基于此，中国科学院上海高等研究院研究团队利用熵增辅助抗烧结策略合成了小粒径高载量Pt基高熵金属间化合物氧还原催化剂，并揭示了熵增抗烧结机制与Pt基高熵金属间化合物氧还原活性与稳定性增强机制。

研究提出“熵增辅助抗烧结”概念，通过增加合金前驱体的混合熵（ΔSmix）降低纳米颗粒表面能，抑制高温下颗粒迁移与聚结。实验表明，随着合金元素种类增加（从一元Pt到五元PtCoNiGaZn），ΔSmix显著提升，纳米颗粒平均尺寸逐渐减小，尺寸分布更均匀。理论计算阐明，熵增可从根本上降低纳米颗粒表面能，从而有效削弱了烧结驱动力。

研究人员通过液相还原-表面置换-高温退火工艺，制备出金属负载量40.53 wt.%、平均粒径3.15 nm的PtCoNiGaZn@Pt/C催化剂。其核心为有序L10面心四方高熵金属间化合物（HEI），表面包覆Pt壳层，形成“核-壳”结构，有序度高达71%。HEI核通过强压缩应变（7.38%）优化Pt壳层电子结构，调控d带中心，优化*OOH中间体吸附，同时抑制Pt氧化与溶解，显著增强了本征活性与稳定性。

在0.9 V（vs. RHE）下，质量活性（MA）达0.65 A mg-1 Pt，是商业Pt/C（0.12 A mg-1 Pt）的5.4倍。经20000次循环加速耐久性测试（ADT）后，MA衰减27%，半波电位仅衰减14 mV，远优于Pt/C（MA衰减>50%，半波电位衰减70 mV）。采用该催化剂，阴极低至0.1 mg Pt cm-2，氢-空燃料电池峰值功率密度高达0.96 W cm-2，氢-氧燃料电池达2.44 W cm-2，均超越商业Pt/C，质量活性0.85A mg Pt-1。30000次循环ADT后，膜电极峰值功率密度仅下降6%（Pt/C下降28%）、质量活性仅衰减12.5%，呈现出实际应用潜力。

该研究揭示了混合熵与纳米颗粒表面能的关系，为高温抗烧结提供了新策略，阐明了通过高熵金属间化合物 “应变调控”同步提升氧还原反应的活性与稳定性，突破了传统二元合金的性能瓶颈。

相关成果发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划等的支持。

论文链接

熵增辅助抗烧结策略合成高载量铂基金属间化合物作为质子交换膜燃料电池电催化剂

全固态锂电池通过以固态电解质替代易燃的有机电解液,并兼容高容量锂金属负极,有望实现远超传统液态锂离子电池的安全性和能量密度,且能实现在极低温、高温等极端环境下的应用。然而,目前固态电解质本身的锂离子传输稳定性及析锂(锂离子在电解质内部得电子被还原)引发的短路问题,仍是制约全固态电池发展的关键瓶颈之一。到目前为止,受限于光学显微镜、扫描电镜和同步辐射X成像等技术的空间分辨率,固态电解质短路失效的纳米尺度起源尚不明确。

4.中科院研究揭示固态电解质纳米尺度失效机制；

近日，中国科学院金属研究所研究员王春阳联合美国加州大学尔湾分校教授忻获麟、麻省理工学院教授李巨,在全固态电池失效机制研究方面取得进展。研究团队利用原位透射电镜技术在纳米尺度揭示了无机固态电解质中的软短路—硬短路转变机制及其背后的析锂动力学。

原位电镜观察表明，固态电解质内部缺陷(如晶界、孔洞等)诱导的锂金属析出和互连形成的电子通路直接导致固态电池短路，这一过程分为两个阶段：软短路和硬短路。软短路(其本质是动态可逆的非法拉第电子击穿)源于纳米尺度上锂金属的析出与瞬时互连。伴随着软短路的高频发生和短路电流增加，固态电解质逐渐从名义上的电子绝缘体转变为类忆阻器的非线性电子导体状态，导致固态电池发生硬短路。在此过程中，缺陷诱导的纳米尺度析锂和“浸润”导致多晶固态电解质发生“类液态金属脆化”开裂，这是固态电解质发生软短路到硬短路转变的本质原因。针对多种无机固态电解质的系统研究表明，这一失效机制在NASICON型和石榴石型无机固态电解质中具有普遍性。

基于上述发现,研究团队利用三维电子绝缘且机械弹性的聚合物网络，发展了无机/有机复合固态电解质，有效抑制了固态电解质内部的锂金属析出、互连及其诱发的短路失效,显著提升了其电化学稳定性。

该研究通过阐明固态电解质的软短路—硬短路转变机制及其与析锂动力学的内在关联，为固态电解质的纳米尺度失效机理提供了全新认知，为新型固态电解质的开发提供了理论依据。

相关研究成果以Nanoscale Origin of the Soft-to-Hard Short-Circuit Transition in Inorganic Solid-State Electrolytes为题，发表在《美国化学会志》(JACS)上。

无机固态电解质中的软短路—硬短路转变机制示意图以及其抑制机理

锂金属析出—电解质短路动力学的原位电镜观察

软短路—硬短路的转变动力学的原位电镜观察和短路电流监测

有机—无机复合固态电解质中的稳定锂离子传输

5.“快快网络”杯2025年厦门大学电子设计竞赛颁奖典礼顺利举办；

5月22日，“快快网络”杯2025年厦门大学电子设计竞赛颁奖典礼在南存钿楼C栋报告厅举办。厦门快快网络科技有限公司团委书记、公共事务经理阮小真，学院副院长董俊，学院党委副书记林蕊，学院团委书记胡凡，实验教学示范中心主任陈华宾，学院工程师陈建发，辅导员林燕红，党政辅导员闵舒媛及200余名参赛同学参加活动。

董俊代表学院向大力支持本次比赛的快快网络科技有限公司表示感谢，对本次比赛的成功举办和完成比赛的同学表示祝贺。他指出，学院始终坚持以国家战略需求为导向，实施了开展产教融合、以赛促学等多样化培养方式，推动全院学术氛围持续提升。他希望同学们能够在学院提供的优质赛事平台上，进一步培养创新思维、团队精神、解决复杂工程的能力。