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近幾年，硅基集成電路的速度遭遇瓶頸、停滯不前，解決的辦法之一是引入光子學器件，部分取代電子學集成電路中的信號處理和互聯(lián)器件，這就要求光子學器件具有像電子學集成那樣的小尺度和三維集成能力，同時具有和電子學集成兼容的制備工藝。這些要求使得光電混合集成面臨巨大的挑戰(zhàn)，是一個世界性的難題。 光學所張家森教授團隊與信息科學學院彭練矛教授團隊合作，提出了基于表面等離激元和碳納米管的三維光電混合集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)有的COMS制備工藝兼容，可以實現(xiàn)光子學和電子學的三維集成和互聯(lián)，為解決集成電路的速度瓶頸提供了一種方法。他們演示了幾種集成回路，包括在片光操控回路、波長和偏振復用回路和具有COMS信號處理電路的集成模塊。Fig. 1. Integration of plasmonic-enhanced detector with carbon nanotube (CNT) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) signal processing circuits. a, Schematic of the 3D integrated circuits, consisting of bottom-layer passive WFSAs and metal connection lines, in-between HfO2 dielectrics and Au cross-layer connection lines, and top-layer plasmonic receiver and CNT CMOS signal processing circuits. b, Output characteristics of the plasmonic-enhanced barrier-free-bipolar diode (BFBD) and the normal BFBD under the illumination at "λ" =1200 nm. c, Electric field pattern of the La=320-nm SA. d-e, Transfer (d) and output (e) characteristics of the CMOS. f, VTC curves of the CMOS (blue line) and the 3D integrated circuits (red line). Inset is the corresponding equivalent circuit diagram of the 3D integrated circuits. g-i, Statistical figures of merit of the deep-subwavelength modules, including photocurrent (g) and photovoltage (h) of the BFBD as well as on-state current of the CMOS (i). 這種三維集成系統(tǒng)的優(yōu)點包括：1. 使用低溫COMS兼容制備工藝，可以在單片集成回路中集成光子學模塊、電子學信號處理系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)；2. 利用具有原子厚度的碳納米管材料以及金屬工藝，使得光子學集成和電子學集成在材料上兼容；3. 基于表面等離激元使得光子學器件尺度可以和電子學器件尺度相近，便于集成；4. 碳納米管的工作波段可以覆蓋整個通訊波段，這是硅材料無法做到的；5. 光電探測器工作于光伏模式，可以減小能耗。該工作是首次利用原子厚度材料實現(xiàn)三維光電混合集成，可以實現(xiàn)更小的尺寸、更快的速度和更多的功能，同時，有可能解決電子學集成回路在速度上的瓶頸。 上述實驗結(jié)果近期發(fā)表于最新一期《自然 電子學》雜志。 相關(guān)文獻：Yang Liu, Jiasen Zhang, and Lian-Mao Peng, Three-dimensional integration of plasmonics and electronics. Nature Electronics 1, 644-651 (2018).Yang Liu, Jiasen Zhang, Huaping Liu, Sheng Wang, and Lian-Mao Peng, Electrically-driven monolithic subwavelength plasmonic interconnect circuits. Science Advances 3, e1701456 (2017).

北京大學量子材料中心王健研究組與合作者在鈦酸鍶（SrTiO3）襯底上外延生長的單原胞層厚（0.55 nm）鐵硒（FeSe）薄膜中觀測到了具有磁激發(fā)跡象的玻色模式和強非磁性雜質(zhì)誘導的準粒子束縛態(tài)。兩項發(fā)現(xiàn)為超導機制備受爭議的單原胞層鐵硒薄膜提供了異號配對的重要實驗證據(jù)，表明在該體系中盡管界面電–聲耦合被認為可以增強超導特性，自旋漲落對于庫珀對的配對有著不可忽略的作用，或?qū)﹁F基高溫超導機理的統(tǒng)一理解提供重要參考。 提升超導轉(zhuǎn)變溫度和理解庫珀配對機制是超導領(lǐng)域兩個最重要的研究方向。在以往的鐵基超導研究中，基于電子–空穴費米口袋嵌套的s±波配對被廣泛接受。然而對于AxFe2?ySe2 (A = K, Rb, Cs, Tl)、(Li1?xFex)OHFe1?ySe，尤其是單原胞層 FeSe/SrTiO3等一系列重電子摻雜鐵硒化合物，重電子摻雜會導致費米能級上移，進而導致布里淵區(qū)中心Γ點的空穴費米口袋降至費米能級以下，使得電子–空穴費米口袋嵌套理論失效。因而，鐵基超導中的s±配對圖像受到嚴峻挑戰(zhàn)。 鈦酸鍶襯底上外延生長的鐵硒薄膜具有鐵基超導家族最簡單的分子結(jié)構(gòu)和最高的超導轉(zhuǎn)變溫度（能隙閉合溫度的典型值為65 K），自2012年被清華大學薛其坤團隊發(fā)現(xiàn)以來在國際凝聚態(tài)物理領(lǐng)域掀起了研究熱潮。前期，北京大學王健研究組與薛其坤研究組合作采用電輸運和抗磁性測量首次報道了單層鐵硒中高溫超導的直接證據(jù)（Chin. Phys. Lett. 31, 017401 (2014)，被Science編輯選擇文章Science 343, 230 (2014)報道）。然而，其中的超導配對機制，一直存在爭議，始終懸而未決。 為了揭示單層鐵硒中的超導配對機制，王健研究組開展了一系列系統(tǒng)的實驗。實驗中的單層鐵硒超薄膜采用分子束外延技術(shù)生長于鈦酸鍶襯底。通過原位超高真空（~10?10 mbar）原位掃描隧道譜探測，研究組發(fā)現(xiàn)超導能隙外存在由電子–玻色子耦合導致的鼓包（hump）結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的掃描隧道譜實驗揭示以該鼓包為特征的玻色模式更接近磁激發(fā)信號（圖1），極有可能是充當配對媒介、且連接布里淵區(qū)近鄰角落（M點）電子費米口袋的(π,π)自旋漲落。超導序參量作為復數(shù)，其在費米面上的分布存在同相位（保號：sign-preserving）與反相位（異號：sign-reversing）兩種情形。雜質(zhì)散射作為一種相位敏感技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于以往超導配對研究。其中非磁性雜質(zhì)尤為特殊，其選擇性地局域破壞s±波、d波等異號配對，實驗上表現(xiàn)為誘導超導能隙內(nèi)的束縛態(tài)，而對傳統(tǒng)保號s波配對無明顯效應(yīng)，因此可用于區(qū)分異號和保號配對圖像。王健研究組采用沉積于單層鐵硒表面的強非磁性雜質(zhì)鉛（Pb）吸附原子作為散射中心，實驗中發(fā)現(xiàn)相對于正常超導譜形，鉛原子在超導帶隙邊界附近誘導出電子型譜權(quán)重增強，同時超導能隙減弱（圖2）。該特征是‘隱’束縛態(tài)的典型信號。系統(tǒng)的勢散射強度調(diào)節(jié)（圖2(d)）等實驗也印證了這一觀點，有力地說明單層鐵硒超導能隙函數(shù)存在異號。同時，基于異號配對圖像，如擴展s±波（圖2(e)），南京大學王強華教授與南京師范大學高繹教授理論上定性復現(xiàn)了非磁性雜質(zhì)誘導的超導譜形重構(gòu)。上述的玻色模式與非磁雜質(zhì)散射兩項研究成果一致支持單層鐵硒中存在以自旋漲落為媒介的異號配對，為最終澄清單層鐵硒的界面高溫超導機制奠定了重要基礎(chǔ)，同時也預示具有不同費米面構(gòu)型的鐵基高溫超導體或存在統(tǒng)一解釋。圖1. 單原胞層 FeSe中具有磁激發(fā)跡象的玻色模式。(a) 單原胞層 FeSe的掃描隧穿譜，顯示超導能隙外由電子–玻色子耦合導致的鼓包結(jié)構(gòu)；(b) Ω/2Δ1與Δ1的統(tǒng)計負關(guān)聯(lián)（Ω：玻色模式能量；Δ1：內(nèi)超導能隙）。圖2. 單原胞層 FeSe中強非磁性雜質(zhì)誘導的準粒子束縛態(tài)。(a) Pb吸附原子的STM形貌圖；(b) Pb吸附原子和正常單原胞層 FeSe的掃描隧穿譜，顯示9.5 mV處存在‘隱’束縛態(tài)；(c) 跨Pb吸附原子的掃描隧穿線譜；(d) 101組Pb吸附原子掃描隧穿譜（黑實線下方）與無吸附原子時的掃描隧穿譜（黑實線上方）對比；(c) 擴展s±波圖像下非磁性雜質(zhì)的模擬局域態(tài)密度譜。 兩項工作分別于2019年5月22日和2019年7月15日發(fā)表于Nano Letters（Nano Lett. 19, 3464?3472 (2019)）、Physical Review Letters（Phys. Rev. Lett. 123, 036801 (2019)）。論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00144、https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.036801。 其中Nano Letters文章北京大學博士生劉超飛為第一作者，北京大學王健教授為通訊作者；Physical Review Letters文章，北京大學博士生劉超飛、王子喬和南京師范大學高繹教授為共同第一作者，北京大學王健教授和南京大學王強華教授為共同通訊作者。 以上工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、量子物質(zhì)科學協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院卓越創(chuàng)新中心、北京市自然科學基金、江蘇省自然科學基金等經(jīng)費的支持。王健特別感謝謝心澄、王垡、徐莉梅、任澤峰以及量子物質(zhì)科學協(xié)同創(chuàng)新中心在北大超高真空分子束外延與低溫掃描隧道顯微鏡實驗室搭建過程中給予的支持。

利用地表水為低位冷熱源實現(xiàn)冬夏空調(diào)的地表水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊， 目前在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展。但是，對于含沙量較大的水體，水質(zhì)處理上占用了 很大的增量成本。降低水處理措施，讓地表水直接進入機組是降低能耗，降低系 統(tǒng)投資的有效途徑。針對目前傳統(tǒng)熱泵的蒸發(fā)器、冷凝器無法接受非工業(yè)標準冷 卻水進入換熱器的不足，發(fā)明了 一種全新兩器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)地表水直接進入。在冬 夏季利用地表水換熱管束兩端由管板固定于殼體上，兩端的管板和封頭分別圍成 兩個管箱，換熱管束的兩端分別與管箱相通；兩個管箱上分別設(shè)有被冷卻或加熱 介質(zhì)的入口和出口；殼體兩側(cè)上部設(shè)有冷卻介質(zhì)入口和出口；換熱管束橫向布置 在殼體內(nèi)的中上部，殼體下部設(shè)有具有錐度的集沙斗，其下部接排沙管，實現(xiàn)換 熱與泥沙分離。當含有固體雜質(zhì)的液體在殼體內(nèi)流動時，由于水流沖擊和重量作 用泥沙落入集沙斗，解決了換熱器易堵塞，管箱內(nèi)沉淀淤積、清洗不便、復雜的 水處理過程等問題，可明顯減少初投資和運行成本，適合于以江河水和污水等含 固體雜質(zhì)多的液體為冷卻介質(zhì)的換熱器。目前適合國家可再生能源利用的地表水 源熱泵最大的障礙是水處理工藝。而該成果可以實現(xiàn)免水處理，發(fā)展應(yīng)用前景巨 大。

開發(fā)前景及產(chǎn)業(yè)化效益分析：隨著介入診療技術(shù)的發(fā)展，介入性診療器材 產(chǎn)業(yè)作為新興的醫(yī)療器材產(chǎn)業(yè)也迅速發(fā)展壯大，以每年25%以上的速度增長， 到2015年，預計將達到300-400億元。其中冠脈支架增長速度達到45%左右， 其市場規(guī)模占介入診療器材產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的60%。 然而，國產(chǎn)支架自主產(chǎn)權(quán)的缺乏，使之在國際市場時常受到專利侵權(quán)的陰影。 所以亟待開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的，療效更加優(yōu)良的血管內(nèi)支架。本項目 系列支架產(chǎn)品，可稱為內(nèi)皮“友好型"血管支架克服現(xiàn)有支架的缺陷，消除平 滑肌細施增生，減少不可降解的聚合物產(chǎn)生的炎癥，減少血管內(nèi)再狹窄。

該成果提出了"黑盒"式互操作方法和技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)"白盒"路線，將信息孤島開放效率平均提升2個數(shù)量級，應(yīng)用于國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、國家安全和國防等重大工程，成為支撐我國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展的一項共性關(guān)鍵技術(shù)。

《先進高折射高色散透明陶瓷的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化》，現(xiàn)階段成熟產(chǎn)品為：微晶/多晶藍寶石陶瓷材料，主要用于高檔珠寶和飾品行業(yè)，其基本特點包括折射率n≥1.76，硬度≥9，半透明或微透明，外觀色澤類似翡翠和玉，可耐1200℃高溫而無損。在天然翡翠等玉石資源日趨枯竭，價格不斷上揚的背景下，這種以藍寶石材料為基通過高溫工藝制備而成的新型珠寶材料具有廣泛的市場前景。 透明陶瓷是現(xiàn)代無機材料發(fā)展的最前沿領(lǐng)域，通常用于激光光學、發(fā)光材料等方面，如何將原本不透明的陶瓷透明化，是技術(shù)難點，目前國外尚未有將透明陶瓷反向微透明化用作珠寶飾品行業(yè)的報道，原因在于只有東方才有獨特的朦朧審美觀和玉文化，因此本項目處于較為領(lǐng)先的階段。

本系統(tǒng)針對絡(luò)筒機車間的特點，提供一個運行在局域網(wǎng)的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)軟硬件系統(tǒng)，將各分散的絡(luò)筒機設(shè)備有機結(jié)合在一起，并從絡(luò)筒機生產(chǎn)過程與全車間等不同層面進行實時的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計、處理分析、故障檢測與狀態(tài)估計及預測。系統(tǒng)功能： 對絡(luò)筒機進行實時故障檢測；采集絡(luò)筒機的生產(chǎn)數(shù)據(jù)：紗織、批號、長度、班產(chǎn)量速度等；質(zhì)量監(jiān)控：清紗器切除次數(shù)、機械效率＼錠、最低效率；提供報表自動生成系統(tǒng)，顯示供紗管情況：供應(yīng)管數(shù)、失誤數(shù)；結(jié)合外部市場和本地運行狀態(tài)實現(xiàn)動態(tài)成本監(jiān)控；根據(jù)生產(chǎn)情況進行資源狀態(tài)計量管理；絡(luò)筒機的性能分析。將實際制造過程測定的結(jié)果與過去的歷史記錄和企業(yè)制定的目標以及客戶要求進行比較。

制備在宏觀尺度上具備二維單片石墨烯的獨特本征性質(zhì)的石墨烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術(shù)價值和實用意義的重大挑戰(zhàn)。本項目制備得到了一種三維石墨烯宏觀體相材料，其由大量獨立且懸空的二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構(gòu)筑而成。該材料具有良好的機械性能，在常溫可見光下作用下具有電子發(fā)射能力，在瓦特功率級別的可見波段激光或聚焦的太陽光照射下，厘米尺寸的此石墨烯材料樣品可以在真空條件下實現(xiàn)有效的直接光驅(qū)動，此現(xiàn)象為國內(nèi)外所首次觀察及報道，為石墨烯帶來了一種激動人心的潛在應(yīng)用價值。上述材料的制備及相關(guān)性能研究還可為石墨烯在催化，能源轉(zhuǎn)換與存儲等領(lǐng)域的應(yīng)用提供材料支持與相關(guān)理論支撐。

該成果提出了變壓器局部放電檢測的系統(tǒng)的、全面的外部干擾排除方法；提出了變壓器局部放電超寬帶天線陣列定位新技術(shù)；提出了變壓器內(nèi)部局部放電缺陷嚴重程度的特征參數(shù)，進而提出了局部放電缺陷的類型和嚴重程度的診斷方法，并且設(shè)計并實現(xiàn)了相應(yīng)的自動診斷軟件。 研究成果通過了實驗室試驗驗證，并在上海市電力檢修公司和福建省十余座變電站得到應(yīng)用。該成果抗干擾技術(shù)的在線檢測結(jié)果的準確性與過去相比提高了3倍，準確率提高到95%；定位技術(shù)誤差一般不超過30cm；總體運算時間在秒級，Y型優(yōu)化陣列準確定位區(qū)域比現(xiàn)有的矩形陣列大18倍。 該成果在局部放電缺陷嚴重程度的診斷方法和預警預測方法方面填補了國內(nèi)外空白，對放電類型的嚴重程度識別的準確度達到了93.3%以上。

海上大型絞吸疏浚裝備是遠海島礁大規(guī)模高效吹填造陸的國之重器，是南海資源開發(fā)、一帶一路港口建設(shè)等國家戰(zhàn)略任務(wù)和重大工程的緊迫需求。絞吸疏浚裝備具有同步完成海底巖土快速挖掘和長距離管道連續(xù)輸送的可靠作業(yè)能力，需要作業(yè)定位、巖土挖掘、物料輸送和疏浚監(jiān)控四大系統(tǒng)的高度集成，其核心技術(shù)長期被歐洲壟斷并嚴格封鎖。項目組圍繞海上大型絞吸疏浚裝備的自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，歷經(jīng)15年產(chǎn)學研用攻關(guān)取得如下創(chuàng)新成果：     一、多自由度順應(yīng)式重載精確定位技術(shù)：針對漂浮作業(yè)裝備高效穩(wěn)定定位的挑戰(zhàn)，提出主體、挖掘、定位等系統(tǒng)的多體耦合動力學分析方法，揭示了海洋環(huán)境與疏浚作業(yè)載荷的復合作用機理，發(fā)明了多自由度順應(yīng)式重載鋼樁臺車定位系統(tǒng)，保障了惡劣海洋環(huán)境中“定得穩(wěn)”的疏浚作業(yè)要求，使得作業(yè)抗風等級從6級提高到9級，南海作業(yè)窗口期從約120天增加到約180天。     二、多參數(shù)自適應(yīng)重型大挖深挖掘技術(shù)：針對海底堅硬巖石快速挖掘的挑戰(zhàn)，提出大挖深傾斜彈性結(jié)構(gòu)超長軸系設(shè)計方法，解決了機構(gòu)運動和巖石挖掘的強沖擊載荷導致系統(tǒng)失效的難題，研制出特種重型挖巖絞刀、超長軸驅(qū)動裝置及多參數(shù)自適應(yīng)控制技術(shù)，實現(xiàn)了36米水深下快速挖掘單軸抗壓強度超過60MPa的堅硬巖石，滿足了國家重大工程“挖得快”的需求。     三、多介質(zhì)高濃度長距離連續(xù)輸送技術(shù)：針對大顆粒物料高濃度長距離連續(xù)輸送的挑戰(zhàn)，提出多級顆粒混合流態(tài)分析技術(shù)，攻克了扭曲葉片型葉輪和對數(shù)螺旋線泵殼內(nèi)流道設(shè)計難題，研制出高效輸送大顆粒物料的系列疏浚泵和驅(qū)動裝置，實現(xiàn)“排得遠”的強大能力，將高濃度管道連續(xù)輸送距離由6公里提高至15公里。     四、多系統(tǒng)集成優(yōu)化總體設(shè)計技術(shù)和裝備研制：針對各類型疏浚工程的不同需求，攻克了多系統(tǒng)集成總體設(shè)計、多工況功率平衡動力配置、裝備綜合控制與信息化管理等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了大型絞吸疏浚裝備數(shù)字化集成設(shè)計平臺，研制出電軸、變頻等五大類56座絞吸疏浚裝備，形成“系列化”產(chǎn)品自主設(shè)計和制造能力。     本項目授權(quán)發(fā)明專利34項、實用新型專利21項、軟件著作權(quán)33項，制修訂國家標準5項，發(fā)表論文112篇，構(gòu)建了我國大型絞吸疏浚裝備自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的完整體系，研制的“新海旭”、“天鯨號”、“天麒號”等裝備打破國外技術(shù)壟斷、不斷創(chuàng)造中國記錄，中國機械工程學會和機械工業(yè)聯(lián)合會組織的成果鑒定會認為：“海上大型絞吸疏浚裝備在總體上達到了國際領(lǐng)先水平。”     獲獎等級：特等獎，國家科技進步獎     完成單位：上海交通大學、中交上海航道局有限公司、長江航道局、中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司、中國船舶重工集團公司第七一一研究所、江蘇科技大學、江蘇海新船務(wù)重工有限公司