1.清华大学王晓红团队在高频超级电容器研究方面取得新进展

2.中国科学院反铁磁半金属弱局域态非平衡太赫兹探测机理研究取得进展

3.上海交大梁正团队高电压快充锂离子电池研究获新进展

4.新突破！中国科学院研究的“强磁心脏”实现国产化

5.中国科学院上海微系统所卫星激光通信用高精度MEMS快反镜取得进展

1.清华大学王晓红团队在高频超级电容器研究方面取得新进展

随着人工智能和高性能计算的快速发展，算力与电力需求呈指数级增长，这对电源管理芯片的供电密度和效率提出了双重挑战。在此背景下，电源管理芯片正朝无源元件片上集成化方向发展，以实现高密度立体三维供电。然而，传统硅基无源元件的性能密度已接近物理极限，难以满足需求。英特尔创始人、“摩尔定律”提出者戈登·摩尔博士指出（Proceedings of the IEEE, 1998, 82）：大容量电容和电感的缺失是集成电子学发展的根本性瓶颈。近年来发展的微型电化学超级电容器虽然展现出高电容密度特性，然而其本真静态特性难以应用于交流高频信号为主的集成电路。

近日，清华大学集成电路学院王晓红团队在针对高频超级电容器动态响应极限的研究中取得突破，该研究首次通过实验定量测量了超级电容器动态响应频率的上限。研究团队采用微纳加工技术构建了无孔隙结构的绝对平面理想电极，并通过寄生电容屏蔽层结构及外部锁相环放大等方法消除干扰，从而首次精确测定了超级电容器动态响应频率的上界。在此基础上，团队创新性提出“介电-电化学”非对称电容器概念——该器件在低频段以电化学效应为主，在高频段则以介电效应为主，实现了频率响应和电容密度的双重突破。基于该概念制备的微型超级电容器芯片特征频率突破1MHz，较商用超级电容器高出六个数量级，覆盖主流电源电路工作频段。

图1. 超越双电层动态极限的高频超级电容器

此前，团队成功克服了电化学器件与半导体器件工艺不兼容的难题，提出跨能域异质集成理论与三维架构，建立了CMOS兼容的晶圆级全流程加工体系，并研制出世界首枚集成电化学电源整流滤波芯片。相关研究成果以“电化学与半导体器件晶圆级异质集成构建单片集成芯片”（Wafer-level heterogeneous integration of electrochemical devices and semiconductors for a monolithic chip）为题发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

图2. 电化学与半导体器件晶圆级异质集成构建单片集成芯片

此次的研究成果以“越双电层动态极限的高频超级电容器”（High-frequency supercapacitors surpassing dynamic limit of electrical double layer effects）为题，于4月18日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学集成电路学院2020级硕士生李张善昊、2021级博士生许明豪为论文共同第一作者，清华大学集成电路学院教授王晓红与湖南大学半导体学院副教授徐思行为论文共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金重点项目、面上项目等的资助。

2.中国科学院反铁磁半金属弱局域态非平衡太赫兹探测机理研究取得进展

近日，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达、陈效双、陆卫研究团队联合中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张凯团队，在反铁磁半金属弱局域增强的太赫兹探测方面取得进展。

研究团队利用NbFeTe2中的载流子在由反铁磁磁矩与电子自旋之间相互作用产生的局域态之间的跳变行为，设计了一系列针对不同应用场景的太赫兹探测器。实验结果表明，在载流子跳变温区内（77~200 K），器件响应率随温度降低呈现非线性增加趋势。当非对称天线为材料提供足够的塞贝克电势后，载流子可以越过局域态势垒重新排序，实现室温太赫兹性能的突破，为针对不同应用场景下的宽温区高性能太赫兹探测器设计提供了新视角。此外，NbFeTe2/石墨烯异质结的自驱动性能通过内建电场得以优化，达到了220 V W-1的峰值灵敏度和小于20 pW Hz-1/2的噪声等效功率。

该研究成果揭示了反铁磁半金属在大面积、高速成像应用中的潜力。

相关研究成果以Antiferromagnetic semimetal terahertz photodetectors enhanced through weak localization为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

局域化物理模型以及器件在不同载流子输运模式下的太赫兹响应

3.上海交大梁正团队高电压快充锂离子电池研究获新进展

为满足电动汽车对高续航里程的需求，开发能量密度突破300 Wh kg-1的锂离子电池（LIBs）已成为行业核心目标。基于高镍三元正极材料（LiNixCoyMn1−x−yO₂，x≥0.8）并结合高压充放电策略（截止电压>4.3 V），可通过提升比容量与工作电压实现能量密度跃升。然而，高镍正极在高电压下界面稳定性差，易引发电解液分解、铝集流体腐蚀、过渡金属溶出及不可逆相变等问题，导致正极阻抗升高和容量快速衰减。因此，构建稳定的正极电解液界面膜（CEI）和抗氧化的强溶剂化结构是提升高压LIBs循环性能的关键。现有研究通过调控电解液（如高浓度电解液HCEs）可增强氧化稳定性，但其强溶剂化结构导致锂离子脱溶剂化能垒高，界面阻抗大，影响动力学性能；弱溶剂化电解液（WSEs）虽能降低脱溶剂化能垒并形成无机SEI，但自由溶剂易氧化分解，导致CEI不稳定。目前电解液体系难以同时满足高电压稳定性和快速锂离子传输的需求，成为高压高能量密度电池发展的瓶颈。

鉴于此，上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正课题组设计了一种由双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）与丙烯磺酸内酯（PES）组成的磺酸盐基低共熔电解液（LiFSI-2.7PES），显著提升了石墨||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）电池的高压循环与快充性能。通过解析磺酸盐基溶剂化行为与正极电解质界面（CEI）化学特性的关联机制，发现高电子云密度的磺酸基团（−O−S=O）优先参与氧化分解，快速形成富含Li2SO4/LiF的混合CEI。该CEI可有效抑制高压下电解液的持续副反应，同时其高离子电导特性与低界面阻抗弥补了强溶剂化结构导致的锂离子传输动力学限制。实验结果表明，采用LiFSI-2.7PES的电池在4.7 V高截止电压下可以实现450次稳定循环，并具备5 C倍率快充能力，性能优于现有电解液体系。进一步对5 Ah级石墨||NCM811软包电池的评估验证了该电解液在实际应用中的潜力，为高压高能量密度锂离子电池的电解液设计提供了新策略。相关研究成果以“Fast-formed hybrid interphase enables enhanced kinetics for high-voltage and fast-charging lithium-ion batteries”为题发表于期刊CCS Chemistry上。本文第一作者为上海交通大学变革性分子前沿科学中心博士研究生董栩冰。论文链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.025.202505669 作者： 梁正课题组 供稿单位： 变革性分子前沿科学中心

4.新突破！中国科学院研究的“强磁心脏”实现国产化

超导磁体磁场强、能耗低，是强磁科学研究中不可或缺的利器，同时也是科学新发现的助推器。超高场超导磁体在诸多重要领域具有广泛应用。

中国科学院电工研究所（以下简称“电工所”）王秋良院士团队成功研制出大口径高场通用超导磁体。该磁体最高磁场强度14.0特斯拉（T）、内孔直径164毫米，标志着我国在大口径高场通用超导磁体设计与建造技术水平方面，迈上了新台阶。

▲大口径高场通用超导磁体

大口径超导磁体研制“绝非易事”

大口径超导磁体中心区域，不仅可以插入更高磁场强度的内插线圈，产生极高磁场，为探索新物质提供基础强磁场，还可以在较大孔径内，放入金属冶炼设备，用于强磁场下的新材料制备。

将超导材料制备成超导磁体，是超导材料的重要应用之一。超导磁体需要在低温环境中运行，会使超导材料承受复杂的应力状态。例如，超导体从室温降到4.2K（−268.95摄氏度）过程中，会产生冷收缩力，不同材料组分之间由于膨胀系数不同，会产生界面力；并且通电过程中，大电流还会在导体上产生巨大的洛伦兹力。这些应力状态都会影响超导磁体的稳定运行，因此研制大口径高场超导磁体绝非易事。

造出“不怕冷”的超导磁体

为了克服上述困难，团队采用铌钛和铌三锡超导体组合。铌钛和铌三锡都是制备超导磁体最常用的低温超导材料。

铌钛超导体是一种超导合金材料，铌三锡超导体是一种具有陶瓷属性的脆性金属间化合物，用手轻轻一弯就会损坏。

更重要的是，它们具有不同的超导转变温度、临界磁场和临界电流。

因此，需要分别采用不同的处理方式保护两种超导体，尤其对脆弱的铌三锡超导体进行特殊的防护。

在研制过程中，科研团队先后解决了大口径高场磁体高应力调控设计、密绕高场磁体高精度制造、低电阻超导接头等关键技术问题，掌握了此类通用超导磁体的设计和制造等成套技术，并且具有完全自主知识产权。

▲超导磁体结构示意图

经测试，磁体达到预期技术目标，并且运行稳定。

超导磁体在高端科学仪器、先进医疗装备、可控聚变能源、新材料制备等领域具有广泛的应用前景。

大口径高场通用超导磁体技术的成功突破，将有助于我国重要领域制作技术水平提升，并为我国超导磁体产业化发展奠定坚实的技术基础。

5.中国科学院上海微系统所卫星激光通信用高精度MEMS快反镜取得进展

工作简介：

中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感器技术全国重点实验室在集成角度传感器的高性能MEMS快反镜研制方面取得重要进展。制备的MEMS快反镜镜面尺寸大，封装体积小，并具备良好的线性度、角分辨率、响应速度、重复定位精度和镜面动态形变，同时集成了高灵敏度角度传感器，能够实现更精确的激光光束闭环控制，在激光卫星通信方面具有巨大的应用潜力。近日，相关成果以“A high-performance 10 mm diameter MEMS fast steering mirror with integrated piezoresistive angle sensors for laser inter-satellite links”为题发表于微系统技术领域一区学术期刊《Microsystems & Nanoengineering》，论文的第一作者为博士研究生薛文立，通信作者为武震宇研究员和王栎皓助理研究员。

研究背景：

快反镜在卫星激光通信中承担着光束的指向、捕获和跟踪等重要作用。为了满足激光星间链路对高精度光束控制的需求，快反镜需要具备高指向精度、高工作带宽和高光学质量等一系列极限性能指标。针对传统机械快反镜体积大、功耗高、存在迟滞，以及原有MEMS快反镜镜面小（3-6 mm）、带宽低（<1 kHz）、无集成角度传感器等问题，研究团队在近五年间设计并开发了一系列适用于航空航天苛刻需求的高精度、高可靠MEMS快速反射镜。

研究亮点：

本工作中，研究团队为解决现有产品镜面尺寸小、动态带宽不足等问题，开发了一种10 mm大口径压电驱动MEMS快反镜（图1）。该设计采用双层异构集成技术以实现更高的填充因子和谐振频率。采用晶圆级键合工艺实现快反镜的高均一制备，器件具备高线性度（99.95%）、超高角度分辨率（0.3 μrad）、快速阶跃响应（0.41 ms）以及高重复定位精度（图2）。

图1 封装后的MEMS快反镜

图2 MEMS快反镜测试结果：a双轴转角线性度；b角分辨率；c二维扫描重复定位精度；d双轴阶跃响应

另外，该MEMS快反镜集成了硅压阻应变原理的片上角度传感器，在结构设计方面，创新性地引入力学定向结构形成应力集中区域（SCR），将角度传感器灵敏度从3.3 mV/(V·mrad)提升至5.4 mV/(V·mrad)，增幅达63%，显著优化了光束控制的精确性。

图3压阻角度传感器的结构设计图：a压阻传感器原理与硅晶体取向；b显微镜下SCR结构图像；c驱动电压为90 VDC时压阻位置正向应力比较；

在性能表征方面，首次针对10 mm大口径镜面动态变形进行表征（图4），结合理论计算、有限元仿真和实验测试，证明在准静态驱动（500 Hz@±2 mrad）下最大动态表面形变仅2 nm，满足远距离卫星激光通信对镜面面型的严苛要求。

图4 镜面动态形变的表征

总结与展望：

综上所述，本研究开发的一种高性能的10 mm大口径压电MEMS 快反镜满足激光星间链路对高精度、快速响应与稳定性的需求，为卫星通信终端提供小型化高性能解决方案。与传统机械快反镜及现有商用MEMS快反镜相比，该器件优势显著，在航空航天领域具有重要的应用前景。未来，研究团队将继续针对镜面尺寸、闭环控制以及器件可靠性进行优化研究。