1 中科大崔林松教授课题组与剑桥大学Neil C. Greenham教授团队合作发Nature，研究实现高效稳定近红外钙钛矿LED

近日，中国科学技术大学崔林松教授课题组与剑桥大学Neil C. Greenham教授团队合作，设计开发新型多功能分子稳定剂实现了兼具高亮度、高效率和高稳定性的近红外钙钛矿LED，解决了该领域重要难题。相关研究成果以「Bright and stable perovskite light-emitting diodes in the near-infrared range」为题，于3月15日在线发表在Nature杂志上。孙雨琦（剑桥大学博士生）、葛丽爽（中国科学技术大学硕士生）为本工作并列第一作者。中国科学技术大学崔林松教授、剑桥大学Neil C. Greenham教授为该项成果的并列通讯作者。

可溶液加工的金属卤化物钙钛矿材料由于其高色纯度、发光波长可调、优异的电荷传输特性等优势，在高效率、高柔性、低成本的新一代LED领域展现出独特的应用潜力。近十年来，通过不断优化钙钛矿材料和发光器件结构，例如通过向钙钛矿体系中引入含有特殊官能团的添加剂来调控其结晶行为和钝化缺陷，钙钛矿LED的性能取得了极大的提升，其外量子效率（EQE）已超过20%，接近商业化的有机和无机量子点LED。然而，目前报道的大多数高性能钙钛矿LED都是在较低电流密度或亮度下实现，极大地限制了钙钛矿LED的商业化应用。因此，发展兼具高亮度、高效率和高稳定性的钙钛矿LED是目前商业应用面临的关键挑战。

图1 钙钛矿LED结构和性能

图2 钙钛矿薄膜以及分子间作用的表征

针对以上问题，团队设计开发了一种多功能分子稳定剂2-(4-甲砜基苯基)乙胺（MSPE）用来精准调控钙钛矿材料的光电性能、晶体行为和形态学性质，大幅提升钙钛矿LED在高亮度下的效率和稳定性（图1）。MSPE通过氢键和配位键与钙钛矿中的组分相互作用，有效调控钙钛矿的结晶生长过程，提高了薄膜的结晶性和晶粒的规整性（图2），并实现对钙钛矿表/界面缺陷有效钝化，大幅提升钙钛矿薄膜的发光效率和发光均一性（图3）；另一方面，MSPE分子间通过氢键诱导形成自组装结构，抑制了传输层界面低能态的形成，消除了传输层界面对钙钛矿材料发光的淬灭（图4）。

图3 钙钛矿薄膜的载流子动力学

图4 钙钛矿/电荷传输层异质结的时间分辨光谱分析

得益于MSPE对钙钛矿和传输层界面的协同钝化效应，实现了高亮度、高效率和高稳定性的近红外（~800 nm）钙钛矿LED。器件峰值EQE高达23.8%，并且在1000mA cm⁻²的电流密度下，器件的EQE仍能超过10%，表现了超高的效率稳定性。在脉冲工作模式下，当电流密度高达4000mA cm⁻²时，此时器件的EQE仍超过16%，并且亮度达到3,200 W s⁻¹m⁻²。值得注意的是，在初始亮度为107 W s⁻¹m⁻²下，器件的寿命可以达到32小时以上，是目前稳定性最好的钙钛矿LED器件之一，在当前EQE超过20%的近红外钙钛矿中处于领先水平。在高亮度下，实现高效稳定的钙钛矿LED是迈向商业化关键一步，并有望在未来进一步实现钙钛矿电泵浦激光器展示了巨大潜力。

该工作得到了国家自然科学基金、中国科学技术大学青年创新重点项目、合肥微尺度物质科学国家研究中心以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心等支持。

2 中科大潘建伟、徐飞虎等发Nature Photonics，实现百兆比特率量子密钥分发

中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作，通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发，实验结果将此前的成码率纪录提升一个数量级。该成果于3月14日在线发表于国际著名学术期刊《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志。本研究论文的共同第一作者是中国科学技术大学博士后李蔚和博士生张立康。

量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以实现原理上无条件安全的保密通信。提高QKD的成码率对其实用化起着至关重要的作用。高码率可为更多用户提供服务，实现大数据共享、分布式存储加密等高带宽需求的应用。此前国际上最高的实时成码率是10Mb/s（10公里标准光纤信道下）。

为了实现更高的密钥率，需要解决系统发送端、接收端和后处理等技术瓶颈。在发送端，高码率QKD需要高保真度的量子态调制，然而现有QKD系统在高速调制下会产生较高误码率；在接收端，同时具有高效率和高计数率能力的单光子探测器不可或缺，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有高效率和低噪声的优点，但其计数率通常受到较长恢复时间的限制。

潘建伟、徐飞虎研究组发展了集成光子片上高速高保真度偏振态调制技术，系统重频达到2.5 GHz，量子比特误码率优于0.35%；结合中科院上海微系统所尤立星团队最新研制的八像素SNSPD，实现了高计数率、高效率的单光子探测，在每秒输入5.5亿个光子时仍能保持62%的探测效率；同时，研究组发展了偏振反馈控制、高速后处理模块等。在上述技术突破的基础上，研究团队实现了10公里标准光纤信道下115.8 Mb/s的密钥率，较之前纪录提高了约一个数量级；系统稳定运行超过50个小时，在传输距离328公里下码率超过200b/s。上述研究成果表明，QKD可实现百兆比特率的实时密钥分发，满足高带宽通信需求，对未来量子通信的大规模实际应用具有重要意义。

图2 量子密钥分发成码率对比图

该工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院、安徽省和上海市等的资助。

3 中科大郭光灿院士团队孙方稳教授研究组发Nature Communications，实现量子增强的微波测距

中国科学技术大学郭光灿院士团队在实用化量子传感研究中取得重要进展。孙方稳教授研究组利用微纳量子传感与电磁场在深亚波长的局域增强，研究微波信号的探测与无线电测距，实现10⁻⁴波长精度的定位。该成果于3月9日发表在国际知名期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上。文章第一作者为中科院量子信息重点实验室陈向东副研究员，通讯作者为孙方稳教授。

基于微波信号测量的雷达定位技术在自动驾驶、智能生产、健康检测、地质勘探等活动中得到广泛应用。尤其在当前智能化、信息化发展大趋势下，发展高性能雷达测距技术对国防安全和经济发展都方面有重要意义。

图1 基于固态自旋量子体系的射频信号探测与测距示意图

量子信息技术的发展为发展雷达技术提供了新的解决方案。量子传感和精密测量利用量子相干、关联等特性提升系统对物理量的测量灵敏度，有望超越传统测量手段的精度。孙方稳研究组面向量子信息技术实用化，长期研究固态自旋体系的量子传感技术。发展了电荷态耗尽纳米成像方法，实现基于金刚石氮-空位色心的超衍射极限分辨力电磁场矢量传感与成像（Phys. Rev. Applied 12, 044039(2019)），并利用超分辨量子传感探索了电磁场在10⁻⁶波长空间内局域增强的现象（Nat. Commun. 12, 6389(2021)）。

在本研究中，研究组结合微纳米分辨力的固态体系量子传感与电磁场的深亚波长局域，发展高灵敏度微波探测和高精度微波定位技术。研究组设计了金刚石自旋量子传感器与金属纳米结构组成的复合微波天线，将自由空间传播的微波信号收集并汇聚到纳米空间，从而通过探测局域的固态量子探针状态对微波信号进行测量。该方法将自由空间弱信号的探测转换为对纳米尺度下电磁场与固态自旋相互作用的探测，提高了固态量子传感器的微波信号测量灵敏度3-4个量级。为了进一步利用高灵敏度的微波探测实现高精度微波定位，研究组搭建了基于金刚石量子传感器的微波干涉测量装置，通过固态自旋探测物体反射微波信号与参考信号的干涉结果，得到物体反射微波信号的相位以及物体的位置信息。同时，研究组利用固态自旋量子探针与微波光子多次相干相互作用，实现了量子增强的位置测量精度，达到10微米水平（约波长的万分之一）。审稿人认为该工作是金刚石量子传感器在量子测距中的首次应用(…To my knowledge, this is a first demonstration of quantum ranging platform, based on NV center…)。

图2 固态自旋对物体位置测量的结果

与传统雷达系统相比，该量子测量方法无需检测端的放大器等有源器件，降低了电子噪声等因素对测量极限的影响。通过后续的研究，将可以进一步提高基于固态自旋量子传感的无线电定位精度、采样率等指标，发展实用化固态量子雷达定位技术，超过现有雷达的性能水平。

该工作得到了科技部、基金委、中国科学院和安徽省的资助。

4 中科大马骋课题组发Nature Communications，新型正极技术路线进一步释放全固态锂电池潜力

电池技术是新能源车、储能等关键「双碳」技术的核心，而下一代电池的研究焦点，在于比起目前商业化锂离子电池具有更高安全性和更大能量密度提升空间的全固态锂电池。中国科学技术大学的马骋教授提出了一种新的关于正极材料的技术路线，可以更充分的发挥全固态电池的潜力；3月14日，该成果以「Li₃TiCl₆ as ionic conductive and compressible positive electrode active material for all-solid-state lithium-based batteries」为题发表在国际著名学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上。该论文的第一作者为中国科学技术大学的博士生王凯同学，通讯作者为中国科学技术大学的马骋教授。

全固态锂电池通常被认为是将目前商业化锂离子电池中易燃的有机液态电解质替换为不可燃的无机固态电解质、但继续使用锂离子电池常见正、负极材料的新型电池。在过去几十年中，关于正极的研究一度聚焦于钴酸锂、磷酸铁锂等氧化物。可是，对全固态锂电池而言，氧化物却有诸多不足。首先，氧化物正极材料大多具备较低的离子电导率，因此由它们组成的复合物正极需要含有大量固态电解质才能实现令人满意的离子迁移效率，大幅降低了电池的能量密度。其次，氧化物多为脆性材料，在循环时容易产生裂纹。由于固态电解质不像商业化锂离子电池中的液态电解质那样能流动并填充这些裂纹，因此在全固态电池中锂离子传输将受阻于裂纹，导致电池的循环寿命降低。基于以上原因，对全固态电池而言理想的正极材料一方面需要具备优秀的离子电导率，从而降低复合物正极中所需要的固态电解质含量、增加活性物质载量，另一方面需要具有良好的可变形性，从而确保活性物质颗粒在形成裂纹乃至破裂之后也能在外部压力下维持良好的接触和离子传输，而这两点都很难在氧化物材料中实现。

中国科学技术大学的马骋教授课题组采用非常规的材料设计思路，选择用氯化物，而不是氧化物构筑全固态电池的正极材料。氯化物在过去几年间作为高性能固态电解质吸引了研究者的大量关注，但是由于此类材料易溶于液态电解质，无法充当商业化锂离子电池的正极，因此一直未被当作正极材料进行过系统、深入的探索。考虑到不使用液态电解质的全固态电池得以自然规避上述溶解问题，研究团队大胆的聚焦氯化物材料，设计了一种新型正极——氯化钛锂。

不同于脆性、难以变形的氧化物，氯化钛锂极为柔软，只要经过冷压即可达到86.1%以上的相对密度，而且它的室温离子电导率高达1.04 mS cm⁻¹，超过相当一部分固态电解质，从而也远远超过了氧化物正极材料。所以，由氯化钛锂组成的复合物正极不需要包含额外的固态电解质即可实现相当高效的离子传输，而其良好的可变形性也有助于实现较长的循环寿命；基于氯化钛锂的复合物正极在活性物质质量比高达95%的情况下，仍然能以1小时完成充/放电的速率在室温实现长达2500圈的稳定循环。相比之下，氧化物正极由于需要和相当比例的固态电解质共存才能在整体上实现较为高效的离子传输效率，其复合物正极中活性物质的质量比通常只有70-80%，远低于氯化钛锂所能达到的95%。因此，以氯化钛锂为代表的氯化物正极，将进一步释放全固态电池在能量密度方面的潜力。

该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导科技专项培育项目、中国科学技术大学重要方向项目培育基金等项目的资助。

论文链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05792-4

[2]https://www.nature.com/articles/s41566-023-01166-4

[3]https://www.nature.com/articles/s41467-023-36929-8

[4]https://www.nature.com/articles/s41467-023-37122-7

--中国科学技术大学