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現(xiàn)階段所設計的存算一體器件單元結構如圖 1 所示： 器件的基本結構由波導和功能層（由下到上分為加熱層、電極層、保護層、相變材料（硫系化合物）層）所構成。擬通過在當前流行的絕緣層上硅(SOI)光子平臺上集成四氮化三硅光波導的方式實現(xiàn)器件的光學讀取功能，即在非常厚的硅襯底層上生長一層絕緣層二氧化硅和波導層，然后在基片上通過光刻、顯影、刻蝕等工藝制備四氮化三硅波導。功能層主要用于實現(xiàn)器件的電學寫入功能。加熱器層的主要用途是與相變材料層形成電接觸，通過較小的接觸面積使接觸處的熱量集中，從而可以在較小的電壓或電流下使相變材料發(fā)生相變。因此需要加熱器層具備較好的導熱和導電性能，同時在近 C 波段具有較低的光損耗，可采用石墨烯。電極層可用于提供相變材料器件單元所需要的編程電脈沖。當前擬采用硒摻雜的相變材料合金（如 GSST）作為器件的核心功能層的相變材料。該材料在通信/非通信波段顯示了極低的光損耗和更高的品質因數(shù)，且相變前后在通信 C 波段具有足夠大的光學常數(shù)反差，可在更惡劣的高溫環(huán)境下進行操作，適用于硅基光子器件應用。 采用的主要技術手段包括： ① 依托于相變材料的電致和光致相變特性，通過電學編程、光學讀取的方法實現(xiàn)器件的存儲、算術運算和邏輯運算功能：  存儲功能的實現(xiàn)：擬利用相變材料晶態(tài)低透過率和非晶態(tài)高透過率分別代表二進制中的‘1’和‘0’，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲（編程）功能。例如在電極兩端施加合適的電脈沖，所產(chǎn)生電流流經(jīng)加熱層時，生成的熱量主要集中在加熱層和相變材料層接觸處，使得接觸處的相變材料發(fā)生相變，實現(xiàn)存儲功能。在完成上述編程操作后，從器件波導輸入端輸入讀取連續(xù)光。由于相變材料功能層對光強的吸收能力在編程和非編程區(qū)域間存在著顯著的差異，因此當輸入光經(jīng)過波導后，其能量會因為相變材料編程區(qū)域的吸收而發(fā)生改變，進而顯著改變輸出光強能量。所以通過測量輸入輸出光強的能量之比（即透過率），可實現(xiàn)對先前編程區(qū)域的讀取。  算術和邏輯功能的實現(xiàn)：通過調整編程電脈沖的幅度和寬度可以動態(tài)調控相變材料的相變程度，使得器件的中間透過率值可用于代表不同的數(shù)值，實現(xiàn)多級存儲功能。所以擬采用輸入脈沖數(shù)量對應加數(shù)的方法實現(xiàn)標量加法計算。同時由于所設計器件的讀取連續(xù)光輸出功率可視為讀取連續(xù)光輸入功率和器件透過率的乘積，因此可采用將輸入功率和透過率作為被乘數(shù)和乘數(shù)的方法實現(xiàn)基本乘法運算。除此之外還可以將器件功能層的初始狀態(tài)設置為非晶相，把晶化脈沖幅值和不足以產(chǎn)生晶化的脈沖幅值分別作為輸入邏輯‘1’和‘0’；同時設定一個判定閾值并與編程后器件透過率的變化率進行對比，把高于和低于閾值的透過率變化率分別作為輸出邏輯 ‘1’和‘0’；通過合理選擇編程脈沖有望實現(xiàn)各種邏輯功能輸出。 ② 基于器件透射率可調特性驗證其實現(xiàn)神經(jīng)突觸的可行性。并依托所設計人工突觸構建人工神經(jīng)網(wǎng)絡芯片，實現(xiàn)圖像、語音和文本識別功能：  突觸可塑性是大腦記憶和學習的神經(jīng)生物學基礎，也是人工類腦器件需要實現(xiàn)的首要功能。為實現(xiàn)突觸可塑性，擬把相變材料和波導之間的耦合區(qū)域視為仿生神經(jīng)突觸，左右兩端電極分別代表突觸前和突觸后，分別施加在兩端電極上的電脈沖則作為突觸前和突觸后刺激。通過調節(jié)從左右兩端電極輸入耦合區(qū)域的電脈沖時間差對耦合區(qū)域的光透過率進行連續(xù)調控，進而依托于上述存算理論模型和實物器件仿真和實驗實現(xiàn)仿生神經(jīng)突觸的脈沖時序依賴可塑性（Spike-Timing-Dependent-Plasticity, STDP)。  將不同波長的光脈沖序列輸入所設計的突觸單元, 經(jīng)過相變材料的作用，脈沖強度發(fā)生變化，對應于乘法器。進而借助于微環(huán)結構，將不同波長的脈沖導入進同一波導中，該功能類似加法器。相加后的脈沖光強較小時，讀取光與微環(huán)發(fā)生共振，在輸出端口沒有光強輸出。當光強達到一定的閾值后，讀取信號不再和微環(huán)發(fā)生共振，而是傳播到輸出端口。這一過程類似神經(jīng)元脈沖信號的激發(fā)，實現(xiàn)了非線性激活函數(shù)的功能。利用上述的單個神經(jīng)元結構，驗證其監(jiān)督式機器學習和非監(jiān)督式機器學習。對于監(jiān)督式機器學習，權重的數(shù)值通過外部管理器設置；對于非監(jiān)督式機器學習，不再需要外部管理器來設置權重值，而是通過輸出光脈沖進行反饋控制，調整權重值。在單個神經(jīng)元結構的基礎上，更復雜的光學脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡結構，證明該結構的可擴展性。擬設計的神經(jīng)網(wǎng)絡中的每一層結構包括三個功能單元，即收集器、分發(fā)器和神經(jīng)突觸結構。收集器將上一層不同波長的光脈沖信號收集到同一根波導中，分發(fā)器將光脈沖分發(fā)給多個神經(jīng)元，神經(jīng)突觸結構則產(chǎn)生光脈沖信號，輸入給下一層結構。基于上述結構實現(xiàn)圖片、語音和文本的識別。 創(chuàng)新性分析：①首次研究了一款基于“電學編程、光學讀取”模式的光電混合存算一體化器件。與傳統(tǒng)電學存算一體化器件相比,擬研發(fā)的器件可以進行長距離的信息傳輸，具有傳輸帶寬高、信號間延遲低、損耗低、抗干擾、集成密度高等優(yōu)點。②采用硒(Se)摻雜的相變材料作為存算一體化器件的核心功能材料。與采用其他相變材料的存算一體器件相比，以硒參雜的相變材料作為功能材料的存算一體器件有望展現(xiàn)出極低的光損耗。③提出了一種基于“電學脈沖刺激、光學權重調節(jié)”的人工神經(jīng)突觸。該突觸器件有望成為未來通用型人工神經(jīng)突觸，填補了光電混合型人工突觸的技術空白。 先進性分析：①所提出的光電混合工作模式使得該存算一體化器件不但具有傳統(tǒng)集成電路的高密度特性，且兼具光通信技術的寬頻帶、低延遲、抗干擾的優(yōu)越性能。②所采用硒參雜的相變材料不但繼承了傳統(tǒng)材料具有的快速相變轉化速度、低功耗和穩(wěn)定性強等特性，且本身在通信波段非晶態(tài)透明的同時還保持了相變前后足夠大的光學性能差異的特點。③所設計的突觸繼承了人工電子突觸和全光突觸的優(yōu)點，具有高集成度、低功耗、超快響應時間、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。 獨占性分析：根據(jù)已取得成果正在撰寫專利，以獲得該關鍵技術的獨有權。 

        研發(fā)團隊針對NASICON型結構鈉離子電池正極材料面臨的瓶頸問題，通過新穎的合成方法和材料晶體結構設計理念，成功開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的長壽命、高功率和低成本的鈉離子電池及其超穩(wěn)定的正極材料。材料合成方法簡單，反應條件溫和，不需要特殊設備，目前已完成實驗室中試，具備了公斤級的制備能力。成果具有高的振實密度，可實現(xiàn)高體積能量密度，具有非常優(yōu)秀的實用化潛力。         意向開展成果轉化的前提條件：中試放大及產(chǎn)業(yè)化工藝開發(fā)資金支持

衛(wèi)星在軌運行和返回過程中需經(jīng)歷極端高低溫環(huán)境，構件尺寸的穩(wěn)定是保證衛(wèi)星在軌高精度、返回高安全、任務高可靠的關鍵。針對衛(wèi)星搭載的某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配極易導致的載荷在軌及返回過程中載荷接收精度不穩(wěn)定、信息傳輸不連續(xù)等問題。我校陳駿教授團隊以原創(chuàng)的負熱膨脹技術研發(fā)了具有輕質、熱膨脹系數(shù)低、力學性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好的高性能低膨脹鋁基復合材料，并研制了系列關鍵連接內置件、環(huán)件等高性能低膨脹構件，首次將負熱膨脹技術應用到我國的衛(wèi)星上，填補了高性能低膨脹金屬構件在工程應用領域的空白。該技術使得某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體之間熱膨脹匹配性增強、界面應力大幅度減小，保證了衛(wèi)星在軌與返回過程中信號高精度傳輸與接收，助力衛(wèi)星成功返回。 圖1 實踐十九號衛(wèi)星成功返回（圖片來源國家航天局） 圖2 高性能低膨脹鋁基復合材料及構件應用于全球首顆可重復使用返回式技術試驗衛(wèi)星（圖片來源央視新聞頻道）

針對現(xiàn)有血液凈化材料的血液相容性不理想、臨床使用時需不斷加入抗凝劑這一 問題，提出類肝素自抗凝血的全新思路和方法，實現(xiàn)了聚醚砜表面類肝素化，從而提高其血液相容性，設計研發(fā)的類肝素抗凝膜及體外抗凝裝置,拓展了血液吸附材料在尿毒癥以外的多種疾病中應用。 此外，國產(chǎn)品牌血液透析器生產(chǎn)線現(xiàn)已投產(chǎn)，其性能完全媲美進口高價的FILATECH生產(chǎn)線,降低了國產(chǎn)透析器的生產(chǎn)成本，迫使國外血液透析器產(chǎn)品連續(xù)幾次大幅度降低價格，從20多年前的每個透析器上千元人民幣降低到目前的120元人民幣左右，極大程度地降低了醫(yī)療成本和治療費用，使我國腎衰竭患者的治療率不斷提升。在此基礎上實現(xiàn)第二代(高通量)血液透析器產(chǎn)業(yè)化，累計銷售量800余萬支，直接經(jīng)濟效益達13.1億元，打破了國外壟斷。在國家重點研發(fā)計劃支持下，現(xiàn)已研發(fā)出便攜式人工腎的第一代原型機，并正推進新一代佩戴式人工腎所需要材料和關鍵加工技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。 高通量聚醚砜中空纖維膜血液透析器 血液透析是一種有效治療腎衰竭的醫(yī)療手段并已廣泛應用于臨床治療。采用“相轉化”原理，利用“干噴濕紡”的紡絲工藝紡制出具有類肝素結構及良好血液相容性的聚醚砜中空纖維膜并成功實現(xiàn)了透析器產(chǎn)品的國產(chǎn)化與規(guī)模化；臨床治療效果顯著，安全性高。從原料、生產(chǎn)設備、關鍵工藝技術到透析器產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化等方面突破了目前領域的卡脖子問題，降低生產(chǎn)成本并推動了國產(chǎn)血液透析器行業(yè)的發(fā)展與轉變。 中空纖維膜血液透析器 原材料   提出類肝素結構血液凈化膜概念 研制出優(yōu)異血液相容性的聚醚砜中空纖維膜

項目成果/簡介: 針對現(xiàn)有血液凈化材料的血液相容性不理想、臨床使用時需不斷加入抗凝劑這一 問題，提出類肝素自抗凝血的全新思路和方法，實現(xiàn)了聚醚砜表面類肝素化，從而提高其血液相容性，設計研發(fā)的類肝素抗凝膜及體外抗凝裝置,拓展了血液吸附材料在尿毒癥以外的多種疾病中應用。 此外，國產(chǎn)品牌血液透析器生產(chǎn)線現(xiàn)已投產(chǎn)，其性能完全媲美進口高價的FILATECH生產(chǎn)線,降低了國產(chǎn)透析器的生產(chǎn)成本，迫使國外血液透析器產(chǎn)品連續(xù)幾次大幅度降低價格，從20多年前的每個透析器上千元人民幣降低到目前的120元人民幣左右，極大程度地降低了醫(yī)療成本和治療費用，使我國腎衰竭患者的治療率不斷提升。在此基礎上實現(xiàn)第二代(高通量)血液透析器產(chǎn)業(yè)化，累計銷售量800余萬支，直接經(jīng)濟效益達13.1億元，打破了國外壟斷。在國家重點研發(fā)計劃支持下，現(xiàn)已研發(fā)出便攜式人工腎的第一代原型機，并正推進新一代佩戴式人工腎所需要材料和關鍵加工技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。 高通量聚醚砜中空纖維膜血液透析器 血液透析是一種有效治療腎衰竭的醫(yī)療手段并已廣泛應用于臨床治療。采用“相轉化”原理，利用“干噴濕紡”的紡絲工藝紡制出具有類肝素結構及良好血液相容性的聚醚砜中空纖維膜并成功實現(xiàn)了透析器產(chǎn)品的國產(chǎn)化與規(guī)模化；臨床治療效果顯著，安全性高。從原料、生產(chǎn)設備、關鍵工藝技術到透析器產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化等方面突破了目前領域的卡脖子問題，降低生產(chǎn)成本并推動了國產(chǎn)血液透析器行業(yè)的發(fā)展與轉變。中空纖維膜血液透析器 原材料  提出類肝素結構血液凈化膜概念 研制出優(yōu)異血液相容性的聚醚砜中空纖維膜知識產(chǎn)權類型:發(fā)明專利技術先進程度:達到國際先進水平成果獲得方式:獨立研究

隨著科技的不斷發(fā)展，笨重的陰極射線管(CRT)顯示器越來越不能滿足需求。而液晶顯示器(LCD)則因具有能耗低、重量輕、超薄、圖像柔和等一系列突出的性能得到了迅猛發(fā)展。 液晶材料是液晶顯示器的核心材料之一，它賦予液晶顯示器各種優(yōu)良的性能。國內高檔液晶材料主要被大日本油墨化學工業(yè)株式會社、日本Chisso公司、德國Merck公司壟斷。目前，國內只有幾家企業(yè)能批量生產(chǎn)中低檔液晶材料，尚無廠家

納米氮化硼材料兼具氮化硼和納米材料的雙重優(yōu)勢，廣泛應用于航空航天、高端電子散熱材料、吸附劑、水凈化、化妝品等領域。項目團隊開發(fā)出一種能夠實現(xiàn)形貌和尺寸均一且具有超大比表面積多孔氮化硼納米纖維的規(guī)模化制備技術，目前市場尚未實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。該技術合成工藝簡單可控、成本低、過程綠色環(huán)保，處于國際領先地位。 1 產(chǎn)品的應用領域 圖2 高性能氮化硼納米纖維粉體 圖3 氮化硼納米纖維粉體微觀形貌

通過對燒結鈷鐵氧體進行熱等靜壓燒結，得到鈷鐵氧體陶瓷材料的樣品內部孔隙大大減少，致密度大于 99％；平行方向磁致伸縮系數(shù)絕對值大于 150ppm；磁致伸縮激勵場低于 2000Oe。對鈷鐵氧體磁致伸縮材料進行熱等靜壓處理促進了其在低場高頻磁致伸縮領域的應用。 通過凝膠注模、磁場取向及常壓燒結及熱處里工藝，得到的鈷鐵氧體磁致伸縮材料<100>方向取向度大于 40％，致密度大于 99％，垂直取向方向磁致伸縮系數(shù)絕對值大于 300ppm，對應的激勵場低于 2000Oe。

人工超材料是指亞波長尺度單元按一定的宏觀排列方式形成的人工復合電磁結構。由于其基本單元和排列方式都可任意設計，因此能構造出傳統(tǒng)材料與傳統(tǒng)技術不能實現(xiàn)的超常規(guī)媒質參數(shù)，進而對電磁波進行高效靈活調控，實現(xiàn)一系列自然界不存在的新奇物理特性和應用。然而，傳統(tǒng)的電磁超材料和超表面都是基于連續(xù)變化的媒質參數(shù)，很難實時地操控電磁波。 以程強教授為核心團隊的課題組在國際上首次提出“數(shù)字編碼與可編程超材料”，提出用二進制數(shù)字編碼來表征超材料的思想，通過改變數(shù)字編碼單元“0”和“1”的空間排布來控制電磁波。這一概念的提出不僅簡化了超材料的設計難度和優(yōu)化流程，構建了超材料由物理空間通往數(shù)字空間的橋梁，使人們能夠從信息科學的角度來理解和探索超材料。更重要地是，超材料的數(shù)字化編碼表征方式非常有利于結合一些有源器件（例如二極管和MEMS開關等），在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）等電路系統(tǒng)的控制下實時地數(shù)字化調控電磁波，動態(tài)地實現(xiàn)多種完全不同的功能。 在該工作中，作者利用優(yōu)化算法，設計相應的時空三維編碼矩陣，超表面將入射波能量分散到空間任意方向和任意諧波頻譜上，這一特性很好地縮減了雷達散射截面（RCS），未來有望應用于新型的計算成像系統(tǒng)。更重要的是，引入時間維度的編碼之后，可以擴展傳統(tǒng)的空間編碼比特數(shù)，降低了實現(xiàn)高比特可編程超表面的系統(tǒng)復雜度。例如，一款2比特的可編程超表面，只要設計相應的時空編碼矩陣，就可以在中心頻率和諧波頻率實現(xiàn)等效的360度相位覆蓋，這是傳統(tǒng)可編程超表面無法實現(xiàn)的，可用于實現(xiàn)波束塑形等一系列實用功能。 本工作得到了國家科技部重點研發(fā)計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項“微波毫米波數(shù)字編碼和現(xiàn)場可編程超構材料的理論體系與關鍵技術”，以及國家自然科學基金等項目的資助，相關實驗測試工作在東南大學毫米波國家重點實驗室完成。