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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，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，該系統與現有的COMS制備工藝兼容，可以實現光子學和電子學的三維集成和互聯，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). 這種三維集成系統的優點包括：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和存儲系統；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三維光電混合集成，可以實現更小的尺寸、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。 上述實驗結果近期發表于最新一期《自然 電子學》雜志。 相關文獻：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跡象的玻色模式和強非磁性雜質誘導的準粒子束縛態。兩項發現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，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，或對鐵基高溫超導機理的統一理解提供重要參考。 提升超導轉變溫度和理解庫珀配對機制是超導領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。 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構和最高的超導轉變溫度（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現以來在國際凝聚態物理領域掀起了研究熱潮。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（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的實驗。實驗中的單層鐵硒超薄膜采用分子束外延技術生長于鈦酸鍶襯底。通過原位超高真空（~10?10 mbar）原位掃描隧道譜探測，研究組發現超導能隙外存在由電子–玻色子耦合導致的鼓包（hump）結構。系統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信號（圖1），極有可能是充當配對媒介、且連接布里淵區近鄰角落（M點）電子費米口袋的(π,π)自旋漲落。超導序參量作為復數，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。雜質散射作為一種相位敏感技術，已廣泛應用于以往超導配對研究。其中非磁性雜質尤為特殊，其選擇性地局域破壞s±波、d波等異號配對，實驗上表現為誘導超導能隙內的束縛態，而對傳統保號s波配對無明顯效應，因此可用于區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鉛（Pb）吸附原子作為散射中心，實驗中發現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重增強，同時超導能隙減弱（圖2）。該特征是‘隱’束縛態的典型信號。系統的勢散射強度調節（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了非磁性雜質誘導的超導譜形重構。上述的玻色模式與非磁雜質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，同時也預示具有不同費米面構型的鐵基高溫超導體或存在統一解釋。圖1. 單原胞層 FeSe中具有磁激發跡象的玻色模式。(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構；(b) Ω/2Δ1與Δ1的統計負關聯（Ω：玻色模式能量；Δ1：內超導能隙）。圖2. 單原胞層 FeSe中強非磁性雜質誘導的準粒子束縛態。(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；(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的模擬局域態密度譜。 兩項工作分別于2019年5月22日和2019年7月15日發表于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、國家重點研發計劃、量子物質科學協同創新中心、中科院卓越創新中心、北京市自然科學基金、江蘇省自然科學基金等經費的支持。王健特別感謝謝心澄、王垡、徐莉梅、任澤峰以及量子物質科學協同創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冬夏空調的地表水源熱泵系統應用前景廣闊， 目前在國內得到了迅速發展。但是，對于含沙量較大的水體，水質處理上占用了 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 統投資的有效途徑。針對目前傳統熱泵的蒸發器、冷凝器無法接受非工業標準冷 卻水進入換熱器的不足，發明了 一種全新兩器結構，實現地表水直接進入。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；兩個管箱上分別設有被冷卻或加熱 介質的入口和出口；殼體兩側上部設有冷卻介質入口和出口；換熱管束橫向布置 在殼體內的中上部，殼體下部設有具有錐度的集沙斗，其下部接排沙管，實現換 熱與泥沙分離。當含有固體雜質的液體在殼體內流動時，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 固體雜質多的液體為冷卻介質的換熱器。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。而該成果可以實現免水處理，發展應用前景巨 大。

開發前景及產業化效益分析：隨著介入診療技術的發展，介入性診療器材 產業作為新興的醫療器材產業也迅速發展壯大，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， 其市場規模占介入診療器材產業產值的60%。 然而，國產支架自主產權的缺乏，使之在國際市場時常受到專利侵權的陰影。 所以亟待開發具有完全自主知識產權的，療效更加優良的血管內支架。本項目 系列支架產品，可稱為內皮“友好型"血管支架克服現有支架的缺陷，消除平 滑肌細施增生，減少不可降解的聚合物產生的炎癥，減少血管內再狹窄。

該成果提出了"黑盒"式互操作方法和技術，顛覆了傳統"白盒"路線，將信息孤島開放效率平均提升2個數量級，應用于國家大數據戰略、國家安全和國防等重大工程，成為支撐我國大數據產業生態發展的一項共性關鍵技術。

《先進高折射高色散透明陶瓷的研發與產業化》，現階段成熟產品為：微晶/多晶藍寶石陶瓷材料，主要用于高檔珠寶和飾品行業，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。 透明陶瓷是現代無機材料發展的最前沿領域，通常用于激光光學、發光材料等方面，如何將原本不透明的陶瓷透明化，是技術難點，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先的階段。

本系統針對絡筒機車間的特點，提供一個運行在局域網的數字通信網絡軟硬件系統，將各分散的絡筒機設備有機結合在一起，并從絡筒機生產過程與全車間等不同層面進行實時的數據采集、統計、處理分析、故障檢測與狀態估計及預測。系統功能： 對絡筒機進行實時故障檢測；采集絡筒機的生產數據：紗織、批號、長度、班產量速度等；質量監控：清紗器切除次數、機械效率＼錠、最低效率；提供報表自動生成系統，顯示供紗管情況：供應管數、失誤數；結合外部市場和本地運行狀態實現動態成本監控；根據生產情況進行資源狀態計量管理；絡筒機的性能分析。將實際制造過程測定的結果與過去的歷史記錄和企業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的石墨烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術價值和實用意義的重大挑戰。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有效的直接光驅動，此現象為國內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用價值。上述材料的制備及相關性能研究還可為石墨烯在催化，能源轉換與存儲等領域的應用提供材料支持與相關理論支撐。

該成果提出了變壓器局部放電檢測的系統的、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；提出了變壓器內部局部放電缺陷嚴重程度的特征參數，進而提出了局部放電缺陷的類型和嚴重程度的診斷方法，并且設計并實現了相應的自動診斷軟件。 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用。該成果抗干擾技術的在線檢測結果的準確性與過去相比提高了3倍，準確率提高到95%；定位技術誤差一般不超過30cm；總體運算時間在秒級，Y型優化陣列準確定位區域比現有的矩形陣列大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模高效吹填造陸的國之重器，是南海資源開發、一帶一路港口建設等國家戰略任務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輸送的可靠作業能力，需要作業定位、巖土挖掘、物料輸送和疏浚監控四大系統的高度集成，其核心技術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與產業化，歷經15年產學研用攻關取得如下創新成果：     一、多自由度順應式重載精確定位技術：針對漂浮作業裝備高效穩定定位的挑戰，提出主體、挖掘、定位等系統的多體耦合動力學分析方法，揭示了海洋環境與疏浚作業載荷的復合作用機理，發明了多自由度順應式重載鋼樁臺車定位系統，保障了惡劣海洋環境中“定得穩”的疏浚作業要求，使得作業抗風等級從6級提高到9級，南海作業窗口期從約120天增加到約180天。     二、多參數自適應重型大挖深挖掘技術：針對海底堅硬巖石快速挖掘的挑戰，提出大挖深傾斜彈性結構超長軸系設計方法，解決了機構運動和巖石挖掘的強沖擊載荷導致系統失效的難題，研制出特種重型挖巖絞刀、超長軸驅動裝置及多參數自適應控制技術，實現了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、多介質高濃度長距離連續輸送技術：針對大顆粒物料高濃度長距離連續輸送的挑戰，提出多級顆粒混合流態分析技術，攻克了扭曲葉片型葉輪和對數螺旋線泵殼內流道設計難題，研制出高效輸送大顆粒物料的系列疏浚泵和驅動裝置，實現“排得遠”的強大能力，將高濃度管道連續輸送距離由6公里提高至15公里。     四、多系統集成優化總體設計技術和裝備研制：針對各類型疏浚工程的不同需求，攻克了多系統集成總體設計、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鍵技術，構建了大型絞吸疏浚裝備數字化集成設計平臺，研制出電軸、變頻等五大類56座絞吸疏浚裝備，形成“系列化”產品自主設計和制造能力。     本項目授權發明專利34項、實用新型專利21項、軟件著作權33項，制修訂國家標準5項，發表論文112篇，構建了我國大型絞吸疏浚裝備自主研發與產業化應用的完整體系，研制的“新海旭”、“天鯨號”、“天麒號”等裝備打破國外技術壟斷、不斷創造中國記錄，中國機械工程學會和機械工業聯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、江蘇海新船務重工有限公司