1.清华团队新突破！用“分子积木”搭出高比能锂硫电池

2.南京大学超导电子学研究所王华兵、王永磊、吕阳阳团队研发新型“电热开关”超导二极管，开启可编程超导电路新篇章

3.北航集成电路科学与工程学院于《Nature Communications》发表重要研究成果：皮秒尺度全电学垂直磁矩翻转

4.电子科技大学集成电路学院张波、明鑫教授团队在激光雷达GaN驱动芯片领域取得系列突破

1.清华团队新突破！用“分子积木”搭出高比能锂硫电池

“硫电化学预分子介体的分子骨架编程”（Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry）为题

在线发表于《自然》（Nature）

Nature网站论文截图

硫电化学预分子介体的智能分子骨架编程助力高比能锂硫电池发展概念图

直面“续航焦虑”长期瓶颈：

锂硫电池，为何备受关注？

无人机的飞行距离和续航时间取决于所搭载电池的能量密度。同样重量下，电池能量密度越高，所携带的电量就越多，无人机就能飞得越远。现有常规动力锂离子电池的能量密度大多低于300 Wh/kg，已经逐渐接近材料体系本身的极限。因此，面向电动垂直起降飞行器、高端无人机等新兴低空经济应用对动力电池高比能、长续航的迫切需求，开发下一代高比能电池成为产业升级的关键路径。

锂硫电池具有非常高的理论能量密度，同时由于硫元素储量丰富、成本低廉，被认为是有希望支撑未来高比能应用的重要电池体系。然而，实际应用场景中却面临一个难题：硫在充放电过程中不是“一步到位”，而是一条“充满许多中转站的行车运输路线”——需要经历一系列复杂的中间反应，生成溶解于电解液的多硫化物和最终产物固体硫化锂。

“如果中间‘站点’管理不好，有些‘货物’就会跑到不该去的地方，也就是多硫化物穿梭；而有些路段又很‘拥堵’，反应速度很慢。”论文共同第一作者、深圳国际研究生院2023级博士生高润华介绍道：“‘中转路线’越复杂，就越容易出现中间产物‘跑偏’‘反应堵车’‘能量损失’等现实问题。因此，锂硫电池稳定循环的难点不只是‘把硫留住’，而是要让整个硫转化路线更加有序、高效。”

首次提出硫电化学“预分子介体”：

“沉睡待命”的活性分子被“现场唤醒”

针对上述挑战，周光敏团队原创性地提出硫电化学“预分子介体”概念，建立了一套“量子化学+机器学习”驱动的智能分子骨架编程方案，成功从196种候选分子中筛选出高性能预分子介体——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。

团队研究的核心在于，不只是“堵住”那些跑偏的中间产物，而是实现从“被动拦截”转变为从分子层面重新组织和调控硫转化反应网络。这便是团队提出的硫电化学“预分子介体”概念的由来——使分子最初在电解液中处于“沉睡”状态，只有进入硫反应现场后，分子才会被多硫化物原位“唤醒”，从而转化为真正发挥作用的活性介体。

随后，活性介体通过动态分子间配位作用与多硫化物络合形成低溶解度团簇，既能为防止多硫化物扩散“筑坝修堤”，将多硫化物限域在正极附近，又能激活快速电荷转移通道，改变经典硫转化路径，为电化学反应修建“高速公路”。

2-氯嘧啶基预分子介体在多硫转化反应前线的原位激活

量子化学+机器学习

“分子积木”助力功能分子智能设计

虽然有了这一高效介导机制，但很快团队又发现了新的问题：如何进一步提升预分子介体的性能？

由此，团队将目光投向了2-氯嘧啶的分子骨架，并开发了“量子化学+机器学习”智能分子骨架编程方法。

“一个功能分子的构筑过程，就像搭积木。”高润华说道。“分子骨架就像积木拼搭的基础底板，而侧链官能团作为功能分子的组成部分，就像一块块 ‘积木’。不同积木的种类、大小，以及放在底板上的哪个位置，都会影响最终拼搭出的分子具有什么功能。”团队构建了196种候选分子作为“积木搭建方案”，通过量子化学计算和机器学习筛选，最终找到了性能优异的预分子介体，赋予了锂硫电池优越的电化学性能。

2-氯嘧啶基预分子介体数据库的建立和特征工程分析

团队表示，传统的功能分子设计类似于凭经验试着搭积木。“凭借经验把积木换一下、位置改一下的方式，虽然也能找到一些有效分子，但效率相对较低，也不容易从中总结出普遍规律。”团队致力于先理解每一块“积木”的本征特性，研究它们组合起来以后会如何影响分子的反应行为，最终为搭建目标功能分子“画出图纸”，即形成“积木搭建指南”。在这一过程中，量子化学计算起到了重要作用，为研究团队测量了每块“积木”的物理化学性质。接着，团队还通过机器学习从大量搭建方案中总结规律，掌握“积木搭建”的最佳方案。

智能分子骨架编程设计2-氯嘧啶基硫电化学预分子介体

团队结合理论计算和人工智能驱动的可解释机器学习模型，对预分子介体的元素组成和几何构型进行了定向优化设计，最终筛选出的4-三氟甲基-2-氯嘧啶，可使电池的电荷转移阻抗相比使用常规电解液的锂硫电池下降75%，从而显著加速硫转化反应动力学。同时，基于该预分子介体的锂硫电池可在1C快充倍率下稳定循环800圈，容量保持率达81.7%。

在面向实际应用的软包器件验证中，团队还在高硫载（28 mg/cm2）和贫电解液（3.4 mL/g）的严苛条件下，构筑了总容量14.2 Ah的锂硫软包器件，其能量密度可达549 Wh/kg——这意味着，单位重量的该电池能够储存相比常规动力锂离子电池更多的电能。

基于优选4-三氟甲基-2-氯嘧啶预分子介体的锂硫电池电化学性能

对于高端无人机、电动垂直起降飞行器等低空装备来说，电池能量密度越高，就越有可能在有限重量下实现更长续航、更大任务半径和更强载荷能力。若将该电池应用于无人机等低空飞行器，将有望大幅提升其单次续航时间和里程，从而为无人机在消费级航拍、物流配送、长距离电力巡检等领域的应用释放更多潜力。

未来，团队希望将这套“积木搭建指南”拓展至有机液流电池正负极活性材料设计、锂金属电池溶剂分子设计、电池直接回收中的有机补锂剂设计等前沿领域，进一步助力产业生态向智能化转型，为推动新能源产业高质量发展提供关键技术支撑。

智能分子骨架编程策略在有机液流电池、锂金属电池、锂空气电池、失效锂离子电池直接回收和复合相变材料界面设计上的潜在应用

周光敏（左三）与课题组学生合影（左一为高润华、左二为祝伊飞）

清华大学深圳国际研究生院2023级博士生高润华、2023级硕士生祝伊飞为论文共同第一作者，周光敏为论文通讯作者。论文共同作者还包括深圳国际研究生院2025届博士毕业生陶晟宇、2024届博士毕业生韩志远、2024届硕士毕业生张梦天、2025届硕士毕业生劳洲界和宋彦泽、2024级博士生宋林轩，以及博士后李宏泰、助理研究员朱雁飞等。研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划、广东省创新创业团队计划的支持。

论文链接：

2.南京大学超导电子学研究所王华兵、王永磊、吕阳阳团队研发新型“电热开关”超导二极管，开启可编程超导电路新篇章

【导读】  只需一个微小的电流，就能像开关灯一样随意操控超导电流的方向——这不再是科幻场景。近日，南京大学、浙江大学及紫金山实验室等机构的研究团队在超导电子学领域取得了一项令人振奋的突破：他们成功研发出一种纳米尺度的“电热开关”超导二极管。该器件无需调节外部磁场，仅通过微小的栅极电流就能原位实现极性切换和开关控制，为未来低功耗、可编程的超导电子器件和混合量子系统铺平了一条全新且可扩展的道路。这一成果以“Nanoscale Electrothermal Switch Superconducting Diode for Electrically Programmable Superconducting Circuits”为题，发表于国际知名期刊《Nano Letters》。

传统超导二极管的“瓶颈”：离不开磁场调控，也难大规模集成

超导二极管，顾名思义，能让超导电流（零电阻电流）在某个方向上畅通无阻，而在相反方向上受到抑制——这对于打造极低功耗的超导电路和量子技术而言，无疑是一张“王牌”。

然而，现有的超导二极管往往存在重要的局限：它们大多依赖于复杂的异质结或极其精细的界面工程来实现非互易性（即“单向导电性”），并且依赖外部磁场的调控来实现极性的开关和切换。这种依赖不仅限制了对单个器件的局部控制，也极大地阻碍了超导电路的大规模集成和应用。换句话说，想把这些器件凑在一起协同工作，难度极大。

那么，有没有一种方法，既能用电信号直接“发号施令”，又兼容现有的微纳加工技术？

灵感来自“超导纳米低温管”：一个“热点”，打破空间反演对称性

为了攻克这一难题，联合研究团队从一种名为“超导纳米低温管（nTron）”的器件中获得了关键灵感。他们设计了一种具有四个端口的铌氮（NbN）超导纳米线结构。

研究人员的巧妙之处在于：他们在纳米线侧边巧妙了设计的纳米尺度的电流栅极，通过施加一个微小电流——仅几十微安——就能在纳米线上产生一个局部的“纳米级热点”。这个热点并不会摧毁整条线的超导性，而是制造出一个可控的温度梯度。正是这个温度梯度，从空间上打破了器件的对称性，从而“唤醒”了超导二极管效应。

更令人兴奋的是，研究团队在同一个器件中发现了两种共存的非互易传输机制  ：

1. 超导-正常态转变二极管效应 (SN-SDE) ：在高耗散状态下，不同方向的电流导致超导态破灭的临界点不同，效率最高可达42% 。

2. 磁通运动二极管效应(V-SDE) ：在低耗散状态下，由量子化磁通涡旋（Vortex）的棘轮式运动引起，效率高达 60% 。

原位电学调控：像“变形金刚”一样可重构的超导电路

得益于这种独特的“电热开关”机制，这款超导二极管展现出了前所未有的调控灵活性。研究人员无需改变外部磁场，只需改变施加在不同侧边栅极上的电流，就能瞬间开启、或关闭二极管效应，甚至直接反转二极管超导电流的导通方向 。

为了展示这种器件的强大潜力，团队利用标准的微纳加工技术，将四个相同的电热开关超导二极管集成在一起，构建了一个多功能、可编程“超导桥式整流器”。

通过简单的电学指令，这个超导电路可以像“变形金刚”一样实时重新配置，轻松在“正向全波整流”、“反向全波整流”以及“半波整流”等多种模式之间自由切换 。

展望未来：为未来超导计算与量子系统打开新的大门

这项工作不仅为理解电热驱动的非互易超导现象提供了微观物理框架，更重要的是，它为解决超导电子器件的扩展性和可控性难题提供了一条切实可行的道路。

凭借与现有光刻技术的高度兼容性、优异的性能以及便捷的栅极调控功能，这种纳米级电热开关超导二极管有望在未来的高能效超导逻辑电路、神经形态计算以及可重构量子信息系统中发挥核心作用。可以期待，在不久的将来，我们或许能看到完全由电信号编程的超导处理器芯片。

该工作由南京大学超导电子学研究所牵头，联合浙江大学、紫金山实验室等单位完成。该论文共同第一作者为南京大学电子科学与工程学院博士生李甜雨、李冲博士和浙江大学李煚博士，共同通讯作者为南京大学吕阳阳助理教授、王永磊教授、王华兵教授以及浙江大学陈庆虎教授。研究得到“量子通信与量子计算机”国家科技重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

论文原文：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00080

团队其他相关系列研究：

纳米几何结构调控超导二极管：Superconducting diode effect via conformal-mapped nanoholes. Yang-Yang Lyu, Ji Jiang, Yong-Lei Wang*, Zhi-Li Xiao*, Sining Dong, Qing-Hu Chen, Milorad V. Milošević, Huabing Wang, Ralu Divan, John E. Pearson, Peiheng Wu, Francois M. Peeters & Wai-Kwong Kwok

可编程超导磁通二极管：Switchable geometric frustration in an artificial-spin-ice-superconductor hetero-system. Yong-Lei Wang*, XiaoyuMa, Jing Xu, Zhi-Li Xiao*, Alexey Snezhko, Ralu Divan, Leonidas E. Ocola, John E. Pearson, Boldizsar Janko* and Wai-Kwong Kwok.

反对称及反对称破缺诱导非常规超导磁通二极管：Unconventional superconducting diode effects via antisymmetry and antisymmetry breaking. Chong Li+, Yang-Yang Lyu+, Wen-Cheng Yue+ , Peiyuan Huang, Haojie Li, Tianyu Li, Chen-Guang Wang, Zixiong Yuan, Ying Dong, Xiaoyu Ma, Xuecou Tu, Tao Tao, Sining Dong*, Liang He, Xiaoqing Jia, Guozhu Sun, Lin Kang, Huabing Wang*, Francois M. Peeters, Milorad V. Milošević*, Peiheng Wu, and Yong-Lei Wang*

磁场驱动的超导磁通二极管：Magnetic Nonreciprocity in a Hybrid Device of Asymmetric Artificial Spin-Ice-

Superconductors. Chong Li, Peiyuan Huang, Chen-Guang Wang, Haojie Li, Yang-Yang Lyu*, Wen-Cheng Yue*, Zixiong Yuan, Tianyu Li, Xuecou Tu, Tao Tao, Sining Dong, Liang He, Xiaoqing Jia, Guozhu Sun, Lin Kang, Huabing Wang, Peiheng Wu, and Yong-Lei Wang*

(To appear in National Science Reviews)

3.北航集成电路科学与工程学院于《Nature Communications》发表重要研究成果：皮秒尺度全电学垂直磁矩翻转

近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、张悦教授团队在超快自旋电子器件领域取得突破性进展。团队基于CoTb/Ti/CoFeB/MgO多层膜结构，利用亚铁磁材料CoTb中稀土元素Tb带来的强自旋轨道耦合效应，实现皮秒尺度的全电学垂直磁矩翻转，最短写入脉宽达16ps，单比特功耗低至41fJ，刷新当前国际同类器件的最优纪录，推动自旋电子器件迈向太赫兹（THz）超快工作频段。相关研究成果以“Picosecond all-electrical perpendicular magnetization switching”为题，发表于国际顶级综合期刊《自然通讯》（Nature Communications）。

基于自旋轨道矩（SOT）写入的自旋电子器件具备非易失、高速、低功耗等突出优势，是后摩尔时代支撑存算一体架构的重要技术。尽管已有研究实现了皮秒尺度SOT驱动的垂直磁矩翻转，但均需依赖强外磁场才能完成确定性写入，因此无外磁场条件下实现垂直磁矩的皮秒尺度全电学翻转，仍是领域内亟待突破的核心难题。目前，传统无场SOT器件的磁矩翻转速度仅停留在纳秒量级，工作频率局限于吉赫兹（GHz）频段，且功耗偏高，难以满足下一代芯片在速度与功耗层面的严苛要求。

图1 在CoTb/Ti/CoFeB/MgO结构中实现SOT驱动垂直磁矩的无场翻转

针对这一核心难题，团队设计并制备CoTb/Ti/CoFeB/MgO多层膜结构（图1）。通过工艺调控，使自旋源CoTb层获得稳定的面内磁各向异性，从而同时产生面内与面外自旋流，打破传统SOT器件的对称性限制，实现无外磁场辅助的垂直磁矩翻转。亚铁磁材料具有反铁磁耦合的双亚晶格结构，兼具低饱和磁化强度与高矫顽场，能有效抑制杂散场干扰、提升磁矩热稳定性，进而显著提升器件集成度。同时，Tb元素带来的强自旋轨道耦合效应，可显著提升电荷–自旋转换效率，有效降低器件临界翻转电流。通过组分调控，团队将自旋极化角η稳定在55°，接近理论最优值，为器件实现超快、低功耗的无场相干翻转奠定了关键基础。

图2 皮秒SOT驱动垂直磁矩无场翻转

团队进一步搭建基于光电导开关的皮秒电脉冲测试平台（图2）。该平台以两套独立皮秒脉冲源为核心，脉冲源采用低温GaAs衬底制备，可通过调控激光功率精确调节皮秒脉冲宽度，并结合偏置电压调控脉冲幅值。依托该平台，团队在基于亚铁磁CoTb的器件中成功实现16ps超短脉冲驱动下的垂直磁矩无场翻转；作为对比，以铁磁Co为自旋源的器件最短翻转脉宽仅为36ps。在全脉宽范围内，基于CoTb的器件始终具备更低的临界翻转电流，最优翻转能耗低至41fJ/bit，较传统铁磁器件降低一个数量级。与国际已报道成果相比，本工作同时实现了最短写入脉宽与最低功耗的双重突破（图3）。

图3 皮秒SOT无场翻转磁矩的能效分析

为进一步阐明皮秒尺度SOT无场翻转磁矩的内在机理，团队结合微磁学模拟与理论建模开展深入研究（图4）。结果表明，本研究工作获得的自旋极化角η=55°，能够在皮秒尺度下实现磁矩稳定高效的相干翻转。通过对比不同自旋极化角下的磁矩动力学行为，团队明确了面内与面外自旋流对翻转模式的关键影响，并证实提升自旋霍尔角可在全脉宽范围内有效降低翻转能耗，与实验结果高度一致。理论建模表明，皮秒尺度下的最优自旋极化角为45°，可同时实现超高速与超低功耗的磁矩翻转，为高性能SOT自旋电子器件的优化设计提供了重要理论支撑。

图4 皮秒SOT无场翻转磁矩的微磁学模拟

该研究工作利用亚铁磁CoTb的独特物性优势，首次实现皮秒尺度、全电学、超低功耗的垂直磁矩翻转，一举突破传统SOT器件对外场依赖、功耗偏高、速度受限等三大瓶颈。该成果不仅有效提升自旋电子器件的工作频率，推动器件性能向THz频段拓展，同时兼具高密度、可晶圆级制备及与CMOS工艺兼容等优势，为新一代超低功耗、超快自旋电子器件的发展提供关键技术支撑。

Science & Technology

北航集成电路科学与工程学院2022级博士生何宇、2021级博士生肖晨、2026届博士毕业生林克廉、张昆副教授、张博宇副教授和郑臻益副教授为共同第一作者，张悦教授、赵巍胜教授为共同通讯作者，北京航空航天大学为第一完成单位。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目的支撑。

论文原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72582-7

4.电子科技大学集成电路学院张波、明鑫教授团队在激光雷达GaN驱动芯片领域取得系列突破

激光雷达（LiDAR）正加速赋能高级驾驶辅助系统、机器人导航及无人机测绘等高精度三维感知要求极高的场景。传统Si基功率器件面临明显瓶颈，而基于GaN的激光二极管驱动器（LDD）能够充分发挥高开关速度优势，为高分辨率、远探测距离LiDAR系统提供关键支撑。

近期，集成电路学院张波教授领衔的功率集成技术实验室明鑫教授课题组长期专注于高速MHz单通道GaN驱动器设计，在领域国际权威期刊和顶级会议发表多篇论文。相关工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、广东基础与应用基础研究项目的支持，并与企业合作实现成果转化，支撑相关公司推出高速GaN驱动量产芯片。

一、“单片GaN集成”方案：从根源抑制寄生效应

高频（MHz级）窄脉宽（ns级）工作时，栅极驱动环路的寄生电感LG会限制MCTRL开关速度，引发栅压振铃，导致误开启或过压风险。为解决这一根本问题，团队探索将预驱动和MCTRL单片集成的全新路径。

论文1： 电源轨充电饱和自举技术（PCSB）

提出嵌入式交叉耦合电荷泵（ECCP）+3VDD偏置级，显著提升栅极压摆率；集成过流保护电路，采用自动调零技术将GaN比较器失调电压降低20倍以上。栅极上升/下降时间比仅1.28，短路保护响应时间43ns。通讯作者为明鑫教授，第一作者为秦尧博士。

论文2：3X自循环电荷泵技术（3X SCCP）

利用扇出结构，有效打破功耗与上拉能力之间的设计瓶颈，采用晶圆级芯片封装，在20MHz开关频率，10A驱动输出电流条件下，实现435ps上升时间和259ps下降时间。通讯作者为明鑫教授，第一作者为博士生庄春旺。

论文3：预自举和稳健死区时间插入技术（PBRD）

利用信号链传输延时预先抬升驱动级自举电压，在不增加功耗前提下进一步提高驱动能力。在20MHz开关频率、10A驱动输出电流下，测得上升时间为319ps，下降时间为406ps。该技术由博士生庄春旺在ISPSD 2023上做口头报告，通讯作者为明鑫教授。

论文4：低功耗增强上拉技术（LPEP）

将充电电流Ichar路径和损耗电流Ileak路径解耦，在较小的Ileak下，实现大的充电电流Ichar。20MHz开关频率、10A驱动输出电流下，开启时间为710ps，关断时间为660ps，单级反相器静态损耗电流仅为28µA。该技术由博士生庄春旺在ISPSD 2024上做口头报告，通讯作者为明鑫教授。

论文5：温度补偿有源钳位技术（TCAC）

提出无电荷泵型GaN基驱动方案，摒弃常规电荷泵驱动所需的大面积自举电容，显著缩减芯片面积并实现超低传输延时（1.62ns）；且能可靠的工作在低频工况。该技术由博士生陆毅在ISPSD 2025上做口头报告，通讯作者为明鑫教授。

二、“Si基预驱动+GaN基MCTRL”方案

论文6 提出具有电荷转移自举（CTB）电路的双NMOSFET输出缓冲器。通过小电容Ccharge和电源轨VDD协同为自举电容Cboot1补充因电荷分享造成的电荷损失，在不额外增加电源轨的情况下，增强预驱动器驱动能力，减小自举电容面积。在100pF负载电容下，实现50MHz开关频率，0.9ns最小输出脉宽，2.41ns和2.56ns开启和关断延时，栅压上升/下降时间分别为323ps和333ps。该技术由秦尧博士在ISPSD 2024上展示，通讯作者为明鑫教授。

论文链接：

[1]https://ieeexplore.ieee.org/document/11153742

[2]https://ieeexplore.ieee.org/document/11214293

[3] https://ieeexplore.ieee.org/document/10147581

[4]https://ieeexplore.ieee.org/document/10579657

[5]https://ieeexplore.ieee.org/document/11117468

[6]https://ieeexplore.ieee.org/document/10579560