新微之光-2017年度科技进展评选入选成果

  

  1、Science在线发表高速、低功耗新型Sc-Sb-Te相变存储材料研究成果

  集成电路产业是“十三五”国家战略新兴产业。存储器是集成电路最重要的技术之一,是国家核心竞争力的重要体现。我国作为全球电子产品的制造基地,存储器的自给能力还相对较弱。国外三星、英特尔等大型半导体公司对存储器技术与产品垄断,对我国信息产业发展与信息安全形成重大隐患。发展国内自主知识产权的新型半导体存储技术迫在眉睫。

  澳门微尼斯人娱乐-澳门威斯尼斯人娱乐网联合中芯国际集成电路制造有限公司,选择以嵌入式相变存储器(PCRAM)为切入点,在国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”专项(简称02专项)、国家自然科学基金、中国科学院A类战略性先导科技专项、上海市领军人才、上海市科委等项目的资助下,经过十余年的研究,在存储材料筛选、嵌入式器件设计、PCRAM的基础制造技术取得系列重要科技进展。近期,澳门威斯尼斯人娱乐网宋志棠科研团队在新型相变存储材料方面取得重大突破,创新提出一种高速相变材料的设计思路,即以减小非晶相变薄膜内成核的随机性来实现相变材料的高速晶化。通过第一性理论计算与分子动力学模拟,从众多过渡族元素中,优选出钪(Sc)作为掺杂元素,设计发明了低功耗、长寿命、高稳定性的Sc-Sb-Te材料,Sc与Te形成的稳定八面体,成为成核核心是实现高速、低功耗存储的主要原因,具有独立自主知识产权(国际专利PCT/CN2016/096334,中国专利201510697470.2)。利用0.13um CMOS工艺制备的Sc-Sb-Te基相变存储器件实现了700皮秒的高速可逆写擦操作,循环寿命大于107次。相比传统Ge-Sb-Te器件,其操作功耗降低了90%,且十年的数据保持力相当;通过进一步优化材料与微缩器件尺寸,Sc-Sb-Te基PCRAM综合性能将会得到进一步提升;2017年11月9日Science(10.1126/science.aao3212 (2017))期刊,以题为“Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing” 在线发表这一重要研究成果。

  Sc-Sb-Te相变存储材料的重大发现来自于澳门微尼斯人娱乐科研团队在相变存储器方面的长期科研工作积累。Sc-Sb-Te新型相变存储材料的重大发现,尤其在高密度、高速存储器上应用验证,对于我国突破国外技术壁垒,开发自主知识产权的存储器芯片具有重要的价值,对我国的存储器跨越式发展、信息安全与战略需求具有重要的意义。

  

  图1:新型钪锑碲(Sc-Sb-Te)相变存储器件0.7纳秒高速写入操作演示及微观结晶化机理

  

  图2:新型钪锑碲(Sc-Sb-Te)相变存储器件SET速度

 

  团队成员:宋志棠、饶峰、吕士龙、成岩、吴良才、宋三年、朱敏、任堃。


  2、基于国际领先多通道测试技术的无线信道大数据开源平台助推业界快速实现5G产品的测试和商用

   针对我国新一代宽带无线移动通信系统的研发和产业化需求,团队研发了开放共享、可灵活配置、面向无线创新技术研发、标准化及应用的、支持多小区多用户系统级软硬联合仿真的无线多通道测试平台。平台关键技术指标达到国际领先水平,是国家03科技重大专项指定的新技术第三方测试平台,已完成5G新型调制技术GFDM 5G 大规模天线混合波束赋形技术等新技术试验证,荣获中国通信学会技术发明一等奖。

  对无线信道模型与真实场景差距较大的难题,研发了业界首套并行多通道信道探测仪,支持多通道8x8传输和100Mbps传输带宽。采用多通道实时相位同调技术,同步精度比业界领先指标提高了31倍,并首次将SAGE算法从单通道扩展到多通道,填补了国际空白。

  针对系统级仿真速度和规模受限的行业痛点,研发了全真高效的硬件在环并行仿真子平台。实现了性能最优的多核并行仿真方案,比CPUGPU的常规系统级仿真速率提高了127倍;采用软硬件协同调度和高吞吐量联合仿真,比纯软件链路的并行仿真速率提高了1000倍。

  建立了业界第一个开源的、具有我国地域环境特征的多场景真实信道模型库,包含ITU-R WP5D建议的12种典型城市和郊区通信场景的实测信道模型,实现了室外测试室内化,为全面系统地评估无线创新技术的性能和对各种无线通信场景、环境的适应能力奠定了基础。

  

  图1:无线通信多通道测试平台组成

  

  图2:第36届世界无线研究论坛WWRF((Wireless World Research Forum)报道和高度评价了业内首台8 x 8并行信道探测仪

  
图3:无线信道大数据开源平台

 

  团队成员:杨旸、徐景、张武雄、王浩文、许晖。 


  3、高效柔性HIT太阳电池首次成功用于我国首架临近空间太阳能无人机和飞艇

   以中科院知识创新重要方向项目,科技部“863计划”项目为支撑,原新能源技术中心研制出了厚度为100微米以下的超薄硅异质结(HIT)太阳电池,解决了中试生产的关键技术,最高转换效率达到23.5%以上,平均转换效率达到23%,达到国际先进水平。

  针对我国临近空间飞行器的实际需求,课题组研制了轻质、柔性、高效HIT电池组件,面密度达到600克/平方米以下,质量比功率达到400瓦/公斤,达到国际领先水平。HIT组件首次成功应用于我国自主研发的新型彩虹太阳能无人机,该飞机首次在西北某地完成20000米临近空间飞行试验,取得圆满成功,整个试飞过程中该型太阳电池功率输出稳定,为试飞的圆满成功提供了大力支持。HIT组件还成功用于中科院光电研究院研制的临近空间飞艇以及某型号大型临近空间飞艇的动力系统,西北工业大学Wi-Fi长航时无人机的动力系统,性能指标超过国外进口产品。

  柔性HIT电池是融军于民的技术成果。该技术可为我国临近空间飞行器应用提供高效、轻质的柔性太阳电池,摆脱依赖进口产品的局面,填补国内空白,解决长航时临近空间飞行器用高效率太阳电池的供应问题,对临近飞行器性能的提升、国土安全等有着重大意义。

  

  图1:用于临近空间飞行器的高效柔性HIT太阳电池组件

  

  图2:首次使用HIT组件的新型彩虹太阳能无人机

  

  图3:首次搭载HIT组件的临近空间飞艇

 

  团队成员:刘正新、孟凡英、张丽平、卞剑涛、石建华、刘毓成、俞健、杜俊霖、韩安军


  4、多靶标肿瘤标志物高灵敏检测的微纳生物传感器件研制成功

  肺癌目前是全世界发病率和死亡率最高的恶性肿瘤之一。在我国人群中,肺癌发病率与死亡率均为恶性肿瘤第一位,其5年生存率低于15%。肺癌的早期检测及精准医疗是提高生存率的重要手段。低剂量螺旋CT在早期肺癌的筛查方面具有较高的敏感性,同时避免了其他创伤性检查。然而其扫描筛查肺癌的假阳性率较高,存在“过度诊断”,可能导致一些不必要的检查、活检和手术。因此发展新型肺癌早期检测技术,针对血液等液态标本进行生物标志物高灵敏检测,结合影像学,可提高早期检测的准确性。

  在前期国家重大科学研究计划项目研究的基础上,课题组进一步发展了基于石墨烯纳米材料和微流控芯片用于肺癌早期检测的微纳生物传感器件,构建了基于液栅石墨烯场效应管的蛋白标志物检测器件,解决了石墨烯非共价修饰的一些关键技术难点,实现肿瘤相关蛋白标志物分子的pg/mL量级的检测。在核酸检测方面,基于课题组在微流控芯片技术的积累设计了一种阵列式数字PCR芯片,通过对不同的目标核酸设计不同波长的荧光探针,实现多种核酸靶标的同时检测,检测灵敏度达到0.01%,为肿瘤的早期检测和精准治疗提供了技术手段。相关研究成果发表在生物传感器领域顶级刊物Biosensors & Bioelectronics(3篇,IF=7.78), Sensors and Actuators B: Chemical(3篇,IF=5.41),肿瘤学一区期刊Oncotarget(2篇,IF=5.168)等18篇学术论文,申请和授权发明专利9项;有2篇文章被2017年传感器领域国际最高学术水平transducer会议接受(一般录取率在40%左右),其中一篇被选为大会口头报告。在此基础上,获得了国家重点研发计划项目“指导胃癌用药的分子分型纳米检测器件与试剂研究”的滚动支持(留所经费830万)。课题组的目标是在不断创新的同时,推进技术转化,将科研创新成果最终推向临床应用。

  

  图1:基于非共价修饰的石墨烯场效应管肿瘤标志物检测传感器

  

  图2:基于微流控阵列数字PCR芯片多靶标高灵敏检测多靶标核酸

 

  团队成员:赵建龙、毛红菊、贾春平、周洪波、吴蕾、葛玉卿、赵辉、周麟、武振华。


  5、多光谱与FDR一体化森林防火含水率传感器,提升防火预警能力,填补国内空白

  习近平总书记在党的十九大会议上,对“加快生态文明体制改革,建设美丽中国”进行了重要论述。森林作为陆地生态主体,在生态文明建设中发挥举足轻重的作用。森林火险预防预警是构建森林生态安全屏障的重要支柱。

  森林地表可燃物含水率是火险等级划分和预报预警的重要依据,在世界范围类有四种预测方法,最优预测误差在10%至20%,达不到火险预警分级要求。结合我国森林火险国家分级标准,无线传感网事业部采用军民融合技术,研制了一体化森林防火含水率传感器设备,利用多光谱探测、频域反射、设备状态监测、多网融合通信、数据融合与智能学习以及一体化低功耗技术,通过广域、大范围和无人值守的方式,实现对目标区域的全天时、全天候监测。

  设备通过云端校准和模型智能学习优化,对地表可燃物含水率测量误差小于5%,提高了火险预报精度,最终形成全国森林火险预警态势,提升了我国森林火险预警能力,填补了我国在森林防火预警现场测量设备领域的空白。

  该设备将在十三五期间全国森林防火预警综合监测站的建设中投入使用。此外,还可用于农业土壤含水率、水利工程受损预警、重金属土壤环境污染预警、地质灾害预警和岛屿水体渗透检测等特殊领域,预计可实现经济效益数千元。

  

1:森林防火含水率传感器全视图(左),传感器局部(右)

   

  

  

  图 2:网络架构

 

  团队成员:李宝清、裴俊、王国辉、张士柱、吕伟、石君、吕建飞、刘建坡、王岳鹏。


  6、新原理及实用化SNSPD取得重大突破,首次成功应用于光量子模拟

  超导纳米线单光子探测器(SNSPD)作为一种高性能的单光子探测器,已经广泛的应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域,有力推动了相关领域的科技发展。2017年度,超导实验室SNSPD团队与浙江大学合作,突破传统SNSPD异面光场耦合的技术特征,提出并实现了微纳光纤强倏逝场耦合的SNSPD器件,在1550 nm/1064 nm工作波长,系统探测效率分别达到20%/50%,为SNSPD和微纳光纤领域开辟了新的研究方向,论文发表于Optics Express。在实用化高效率SNSPD研究方面,团队实现基于小型闭合循环制冷机的实用化SNSPD系统,研究成果作为2017年第12期封面文章发表于Science China Physics, Mechanics & Astronomy上,引起国内外科技媒体和学术界的广泛关注。www.eurekalert.org、Phys.org、www.photonics.com等众多国外科技媒体以“Practical superconducting nanowire single photon detector with record detection efficiency over 90 percent”或“Researchers develop practical superconducting nanowire single photon detector with record detection efficiency”等标题报道或转载该成果。超导国际知名刊物“Superconductor Week”撰文报告该成果;《National Science Review》将其作为亮点成果报告。在应用领域,SNSPD团队携手中科大,利用高性能SNSPD首次实现时序编码的玻色采样,为多光子量子计算提供了新的解决方案,实验层面上更进一步走向量子霸权(quantum supremacy),合作论文发表于Physical Review Letters;实现100公里基于光纤的纠缠交换论文发表于Optica。和清华合作,实现基于真单光子的四波混频论文发表于ACS Photonics。2017年度共发表SNSPD器件及应用SCI论文15篇。

  

  图1:基于微纳米光纤耦合的SNSPD

  

  图2:实用化单光子探测成果作为封面文章发表于Science China Physics, Mechanics & Astronomy上

  

  图3:利用高性能SNSPD和单一高质量单光子源实现玻色采样的实验图

 

  团队成员:尤立星、张伟君、李浩、张露、杨晓燕、王镇、谢晓明。

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