1.北理工团队在三维拓扑激子绝缘体研究中取得最新进展
2.中国科学院苏州纳米所研制出氮化镓光子晶体面发射激光器
3.北京理工大学团队在硅基纳米剪纸结构形变调控方面取得重要突破
4.北理工团队在极寒条件下光伏防冰领域取得新进展
5.北理工在共格纳米析出相强化高熵合金的绝热剪切机理研究方面取得新进展
1.北理工团队在三维拓扑激子绝缘体研究中取得最新进展
近日，北京理工大学物理学院王秩伟教授、姚裕贵教授团队与普林斯顿大学 M.Z.Hasan 团队合作，首次在三维晶体材料Ta₂Pd₃Te₅中实验观测到拓扑激子绝缘体的存在，并进一步发现其具有动量序可调的激子凝聚态。这一成果为探索关联电子体系中的拓扑量子态提供了全新平台。相关研究成果以“Topological excitonic insulator with tunable momentum order”为题发表在《Nature Physics》上。北京理工大学硕士生吴黄宇（现为北理工材料学院在读博士生）为论文共同第一作者，北京理工大学王秩伟教授为论文共同通讯作者。
激子绝缘体作为一种奇特量子物态，自1964年理论预言以来长期备受关注。其核心特征为电子-空穴对（激子）自发凝聚形成玻色-爱因斯坦凝聚态，从而打开能隙，实现无耗散能量传输。然而，传统激子绝缘体常伴随显著结构相变，导致其物理机制难以明确区分。绝大多数候选体系均伴随强烈结构相变，难以厘清“电子关联”与“晶格作用”的贡献。寻找结构耦合较弱、拓扑性质明确的新型激子绝缘体材料成为国际前沿难题。
在本工作中，研究团队首先制备了高质量的层状材料Ta₂Pd₃Te₅单晶，首次观测到双重激子凝聚相：在100 K时由半金属态进入零动量激子凝聚态，4.2 K时进一步发生有限动量二次激子凝聚。团队通过极化角分辨光电子能谱测试发现，低温下电子能带发生轨道杂化，镜面对称性破缺，证实激子凝聚驱动了拓扑相变。同时，扫描隧道谱观测到体绝缘能隙，与理论模型预言的拓扑边缘态高度吻合。更令人惊奇的是，在外加磁场调控下，体系展现出动量序的可调性，为研究拓扑相变临界行为与对称性调控提供了实验窗口。
该研究首次在三维晶体中证实了拓扑激子绝缘体的存在，揭示了电子关联与拓扑序的协同效应。其弱结构耦合特性为解析激子凝聚的纯粹物理机制提供了理想模型，有望推动对量子临界现象与拓扑激发态的深入理解。此外，拓扑边界态的无耗散输运特性为未来量子器件设计开辟了新方向。
图1. Ta₂Pd₃Te₅的实空间表征，显示了T= 100 K附近绝缘体带隙的变化。
图2. Ta₂Pd₃Te₅低温电子相中，带间杂化和镜像对称破缺的特征。
图3. 绝缘能隙的拓扑性质。
图4. 具有平移对称破缺的非零波矢的次级激子不稳定性。
本工作的其他合作单位还包括合肥国家实验室、瑞士苏黎世大学、北京凝聚态物理国家实验室、中国科学院物理研究所、南方科技大学等机构。本项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委等相关项目的支持。
（来源： 北京理工大学）
2.中国科学院苏州纳米所研制出氮化镓光子晶体面发射激光器
常规的半导体激光器，如Fabry–Pérot（FP）腔激光器、分布式反馈（DFB）激光器以及垂直腔面发射激光器（VCSEL）等，无法兼具单模、大功率、小发散角等优良特性；而光子晶体面发射激光器（PCSEL）利用二维光子晶体的布拉格衍射，可实现大功率、小发散角的单模激光输出（图1），成为国内外研究热点之一。氮化镓（GaN）基半导体材料为直接带隙，发光波长覆盖了可见光到深紫外等波段，具有发光效率高、化学稳定性好等优点，可用于制造PCSEL。GaN基PCSEL在新型显示、材料加工、激光照明、水下通信、星间通信、芯片原子钟、深空探测、原子雷达、激光医疗等领域具有广阔的应用前景，得到了广泛关注。
图1. FP腔边发射激光器、DFB边发射激光器、VCSEL和PCSEL的结构示意图、典型远场发散角及输出光谱特性。
日本京都大学Noda教授团队于1999年首次提出了PCSEL的概念，并于2008年在Science 319,445 (2008)首次报道了GaN基紫光PCSEL的室温电注入激射，随后分别于2022年与日本Stanley公司合作、2024年与日本Nichia公司合作，将GaN基PCSEL的激射波长进一步拓展到蓝光和绿光波段。目前，全球范围内仅有日本实现了GaN基PCSEL的电注入激射。
依托中国科学院苏州纳米所建设的半导体显示材料与芯片重点实验室与苏州实验室合作，近日研制出GaN基光子晶体面发射激光器，并实现了室温电注入激射。
研究团队首先仿真设计了GaN基PCSEL器件结构，随后外延生长了高质量的GaN基激光器材料，并开发了低损伤的光子晶体刻蚀与钝化工艺，制备了GaN基PCSEL器件，光子晶体区域尺寸为400×400 μ㎡（图2）。通过角分辨光谱测量GaN基PCSEL在 Γ-X 方向上的能带结构（图3），可以观察到：注入电流较低时，能带结构清晰，辐射模式C的强度最大；随着电流增大，非辐射模式B的强度显著增强，直至激射。通过测量能带，可以确定器件是基模B的激射，阈值电流附近的模式半高宽约为0.05 nm。
图2. (a) GaN基PCSEL的结构示意图，(b)光泵测试得到的光子晶体能带结构，光子晶体的(c)表面和(d)截面扫描电子显微镜图。
图3. (a-e)不同注入电流下测量得到的GaN基PCSEL Γ-X方向的能带结构，(f) GaN基PCSEL峰值波长与光谱半高宽随注入电流的变化曲线。
基于上述工作，研究团队实现了GaN基光子晶体面发射激光器的室温电注入激射（图4），激射波长约为415 nm，阈值电流为21.96 A，对应阈值电流密度约为13.7 kA/c㎡，峰值输出功率约为170 mW。下一步拟采用高质量的GaN单晶衬底，设计新型的GaN基PCSEL结构，并突破PCSEL器件制备与封装散热技术，实现高功率（10~100 W）单模激光输出。
图4. GaN基PCSEL (a)不同注入电流下的电致发光光谱、(b)输出光功率-电流-电压曲线、(c)远场光斑，GaN基PCSEL激射(d)前、(e)后的近场图像。
该研究成果由杨辉研究员、孙钱研究员和冯美鑫研究员共同指导重点实验室的工作人员和学生完成，相关论文正在撰写中。相关工作得到了国家重点研发计划项目、苏州实验室项目等资助。（来源： 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所）
3.北京理工大学团队在硅基纳米剪纸结构形变调控方面取得重要突破
近日，北京理工大学物理学院/光电学院李家方教授、姚裕贵教授团队与中国科学技术大学刘之光教授、北京理工大学光电学院王涌天教授、刘娟教授团队以及材料学院靳柯教授团队合作，在硅基纳米剪纸技术领域取得重要突破，实现了对硅基微纳结构塑性、弹性和滞性形变行为的精准调控，并成功展示了阵列结构的光学信息加密显示功能。该创新成果发表在《自然》子刊Nature Communications上。
剪纸作为最古老的中国民间艺术之一，近年来在纳米制造、结构调控等领域引起广泛关注。北京理工大学李家方教授带领研究团队2018年首创纳米剪纸三维微纳制造技术[Sci. Adv. 4, eaat4436]，2021年发展纳米光机电调控新机制[Nat. Commun. 12, 1299]，2024年实现纳米剪纸转子光电镊自由操控[Sci. Adv. 10, eaat1299]，及至2025年突破硅基纳米剪纸技术[Nat. Commun. 16, 5512]，持续推动了该领的发展，形成了一条从基础研究到应用开发的完整技术路线。
图1. 硅基纳米剪纸结构形变调控。(a) 基于绝缘体上硅（SOI）衬底的纳米剪纸结构微纳制造流程。(b) 聚焦离子束（FIB）辐照诱导的双向塑性形变。(c) 机械力或静电力作用下可瞬时恢复的弹性形变。(d) 电压驱动下的滞性形变。比例尺：1µm。
硅基纳米剪纸技术的突破具有重要的里程碑意义。这是因为绝缘体上硅（SOI）是当代集成光电子领域最重要的半导体材料之一，具有优异的CMOS工艺兼容性和成熟的产业化优势。研究团队自2019年开始将硅基纳米剪纸技术作为重点攻关方向，经过多年摸索成功掌握了微纳尺度硅材料的各类形变制造及调控方法（图1），突破了纳米剪纸结构在金属材料方面的性能限制，实现了具有多样化形变能力的新型微纳结构（图2）。
图2. 多种硅基纳米剪纸结构在聚焦离子束（FIB）辐照前后的SEM图像。比例尺：1μm。
在塑性形变方面，研究团队提出基于镓离子注入与硅空位诱导的非对称分布及饱和效应等新机理，突破了传统两段式形变理论的局限，首次实现了具有双反转特征的三段式塑性形变，揭示了剂量依赖的合成力矩对结构形变方向的决定性作用，为深入理解硅材料的塑性形变机制奠定了重要理论基础。在可逆弹性形变方面，研究团队基于机械力或静电力驱动机制，设计了一种高弹性的网状纳米弹簧结构，可实现低至10 nN的力学响应（图3）。在滞性形变方面，研究团队设计了一种平面弹簧结构，首次观察到静电力驱动下的反常滞后形变现象，即断电后近乎复原的二维平面结构自发形变至三维状态的现象（图4）。
图3. 硅基网状纳米弹簧结构的弹性形变特性。
图4. 硅基纳米剪纸结构的滞后形变特性。
硅基纳米剪纸结构精确可控的弹性及滞后形变模式，为动态光学信息编码和加密显示提供了新的技术途径。为验证这一概念，研究团队设计了多种刚度不同的螺旋结构并进行编码，采用“幅值”、“时长”、“时序”多参量调控驱动电压，成功实现了多种模式的信息加密与光学显示（图5）。这种滞后效应与刚度设计的协同作用，为发展动态信息加密与光学显示技术提供了新策略。
图5. 硅基纳米剪纸结构应用于光学信息编码和加密显示的概念演示。比例尺：10μm。
本工作揭示了硅基纳米剪纸结构在同一材料平台上实现塑性、弹性和滞性形变模式的独特能力和精准可控特性，为智能微纳器件开发提供了新思路。基于硅材料成熟的工艺基础和产业化优势，研究团队不仅首次观测到多种形变模式协同共存的现象、深化了外场激励下硅材料力学行为的认知，更通过“可编程力学响应编码”技术路线，精确实现了形变模式的选择性激活和时序控制，将有助于推动微纳光机电系统、微纳传感器、精密机械和忆阻器等领域的创新发展。北理工博士生梁清华、中科大刘之光教授、北理工韩遇博士为论文的共同第一作者，北理工李家方教授为论文的通讯作者。研究团队感谢北京理工大学分析测试中心、怀柔综合极端条件实验装置（SECUF）微纳加工实验室等给予的支持与帮助。该交叉学科研究工作得到了国家自然科学基金（基础科学中心、国家杰出青年基金和面上项目）、国家重点研发计划等项目的支持。
（来源： 北京理工大学）
4.北理工团队在极寒条件下光伏防冰领域取得新进展
近日，北京理工大学材料学院贺志远教授团队和前沿交叉学院朱城老师合作，在透明防结冰薄膜提高光伏在极端寒冷气候下防结冰性能的相关研究中取得进展。相关研究成果以“Transparent Anti-Icing Moiré-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates ”为题在《Advanced Materials》上发表。
在寒冷气候地区，冰雪覆盖导致的光遮挡已成为制约光伏系统稳定发电的主要障碍之一，严重时可导致超50%的发电损失。尽管市场上已出现多种加热除冰方案，但这些方案难以满足大面积户外光伏系统长期稳定运行的需求。理想的光热防冰解决方案应具备三大特性：高光透过性（保障电池正常工作）、高光热效率（实现快速除冰）、可规模化制备与长期稳定性。但现有光热薄膜在“透光发电”和“光热除冰”之间往往难以兼顾，需要对光学设计进行调整，以在设备和光热薄膜之间实现最佳的阳光吸收平衡。
要点一：本研究基于并网商用的光伏组件的户外运行数据，揭示了寒冷气候下冰雪遮挡对光伏系统发电性能的严重影响，其发电量损失可达约58%。针对冰雪遮挡问题，提出了一种创新的透明光热除冰薄膜设计策略。
图1 极寒环境下太阳能电池的故障问题及应对措施
要点二：通过在光热薄膜上引入具有周期干涉效应的莫尔结构,在不降低可见光透过率的前提下，实现了高达93.0%的可见光透过率和约65.8%的近红外吸收率。我们采用了基于卷对卷工艺的纳米压印技术，以实现透明光热薄膜的规模 化制造。此外，该薄膜具备出色的季节性管理，背胶的设计使得moiré-TP 薄膜可 以在夏季轻松揭下防止热量过分积累。可扩展的制造方式与持久的粘合性相结合， 使其在各种实际应用中更具实用性。
图2 透明光热薄膜的光学设计与可扩展制造技术
要点三：我们进一步研究了透明莫尔干涉薄膜的光热性能，以评估其除冰能力及 工作温度范围。薄膜透明度与光热转换之间的内在权衡，即增强防冰性能会自然 降低透明度，反之亦然。通过光强-温度相图和透过率-温度相图预测了其在不同 环境条件下的运行范围并展示了在变化环境下除冰能力。
图3 透明光热膜防冰效果展示
要点四：研究证实，该米级柔性光热薄膜可在 −20 °C 的户外环境下保持光伏组件表面无冰覆盖。应用于钙钛矿太阳能电池的日夜循环测试进一步验证了其稳定的除冰性能和出色的能量恢复能力，冬季单日发电量提升近7.5倍。此外，该薄膜在弱光环境下亦展现出良好的光热响应和长期稳定性，展现出广泛的实际应用潜力。
图4 透明光热膜应用于钙钛矿电池上的性能
我们揭示了在寒冷气候条件下，光伏系统由于冰雪的遮挡作用会出现严重的电力输出损失（约占总电量的 58%）。为了避免牺牲光伏性能，moiré-TP 薄膜在保持高可见光透射率的同时，利用其moiré结构增强了近红外光的吸收（约 65%），从而有助于高效光热转换和防冰功能。就钙钛矿电池的防冰性能而言，它证实了可靠的防冰功能，能够保持最大功率点运行 8 小时，并在七次循环中保持持续的冰融化效果。这种薄膜有效地保护了钙钛矿器件免受冰雪造成的遮挡影响，使得冬季的每日电力输出几乎增加了7.5倍。米级规模的制造过程证实了其在商业化方面的可行性，而我们的模拟结果也表明其在全球各地区用于防冰应用方面具有实用性。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202507034
T. Hao, P. Zhang, C. Chi, Y. Wang, W. Zhang, X. Chen, D. Wang, X. Chen, J. Ye, W. Chen, F. Kang, Y. Bai, Q. Chen, C. Zhu, Z. He, Transparent Anti-Icing Moiré-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates. Adv. Mater. 2025, 2507034.（来源： 北京理工大学）
5.北理工在共格纳米析出相强化高熵合金的绝热剪切机理研究方面取得新进展
近日，北京理工大学材料学院在共格纳米析出相强化高熵合金的绝热剪切机理研究方面取得新进展。金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》在线发表了题为 “Novel mechanism of ultra-high adiabatic shear susceptibility in FCC-based high-entropy alloys via high-content nanoprecipitate dissolution” 的研究论文。
绝热剪切是材料在高应变率变形条件下常见的一种失效行为。在传统认知中，高绝热剪切敏感性意味着材料容易发生局域化变形失稳（易失稳），而较强的加工硬化能力有助于均匀变形（抗失稳），两者通常难以兼得。例如，具有强剪切敏感性的体心立方（BCC）合金一般加工硬化能力较弱，具有良好加工硬化能力的面心立方（FCC）合金则表现出低的绝热剪切敏感性。研究团队开发的高强韧FCC结构纳米析出相强化高熵合金，展现出了超高的绝热剪切敏感性，实现了“抗失稳”与“易失稳”的矛盾统一。如图1所示，与传统强失稳BCC合金相比，该合金表现出良好的加工硬化能力，具有抗失稳特性，但又以更低的临界应变发生绝热剪切失效，表现出易失稳特性。
图1. Al0.5Cr0.9Fe1Ni2.5V0.2展现出良好的加工硬化能力和超高的绝热剪切敏感性
已有研究表明，通过高密度纳米析出相与基体相的变形不匹配，可促进局部应变集中，进而诱发剪切失稳。但该机制在FCC合金中作用有限，难以充分解释上述材料行为。为此，研究团队揭示了一种全新的绝热剪切失效机制——回溶软化机制。在动态变形过程中，局部变形集中导致温度升高，进而触发析出强化相的瞬时溶解。这一行为使得局部剪切强度骤降，极大加速了剪切带的形成与扩展。论文进一步分析了促成析出相快速回溶的动力学过程，发现高熵合金析出相的纳米结构和低能量界面对激活该机制具有决定性作用：一方面，高构型熵赋予了合金较低的析出相回溶温度；另一方面，纳米尺度显著缩短了溶解过程中原子的扩散路径，而低能量界面既避免了析出相的粗化，又降低了界面对原子的扩散阻力。上述因素协同作用，使析出相在较低温度下即可发生快速溶解。这种新的绝热剪切带形成机制为设计兼具高强韧、良好的加工硬化能力与高绝热剪切敏感性的合金提供了全新的思路。
图2. 纳米结构和低能量界面促进了析出相的快速回溶，产生急剧软化作用，显著加速剪切带的形成
北京理工大学材料学院肖遥博士和先进结构技术研究院曾庆磊副教授为论文的共同第一作者，北京理工大学材料学院薛云飞教授为通讯作者。西安交通大学丁俊教授和荀凯辉博士在分子动力学模拟分析方面提供了重要支持；香港城市大学任洋教授、南京理工大学沙刚教授、北京理工大学陈浩森教授和朱盛鑫副教授在原位同步辐射实验、三维原子探针分析及动态原位测温等关键技术环节中给予了重要指导。
（来源： 北京理工大学）
