来看看清华八月份的科研进展。

资料来源:清华大学

化学工程系的齐鲁团队在电化学二氧化碳转化研究方面取得了突破性进展，以制备受含氧基团影响的高附加值化学品

清华-伯克利深圳学院团队通过绿色反溶剂抑制非辐射复合，在实现高效钙钛矿太阳能电池方面取得了新进展

材料学院杨金龙教授合作发明烧结无收缩高强度泡沫陶瓷

该电机系统首次成功研制出一种200摄氏度的高效介质储能薄膜

地质系地球系统模型的研究和开发达到了一个新的水平

微纳电子系统及其他联合发表的集成存储芯片研究综述

化学系曹华强教授课题组在黑磷烯纳米带的研究方面取得了重要进展

清华大学化学工程系齐鲁团队

电化学二氧化碳转化制备高附加值含氧基团化学品的研究取得突破性进展

最近，清华大学化学工程系齐鲁副教授团队在二氧化碳电催化还原电极表面物种的研究方面取得了进展，并在《自然通讯》上发表了题为“氧诱导促进共电解电化学还原covia”的研究论文。

随着工业的快速发展和化石能源的大量消耗，大气中二氧化碳的浓度逐年增加，导致了一系列的环境问题。利用风能、太阳能等可再生能源将二氧化碳电化学还原为乙烯、乙醇等化学物质，作为一种降低大气中二氧化碳含量和储存能量的方法，已经成为研究热点。铜作为唯一能将二氧化碳转化为多碳产品的金属，已经得到了广泛的研究。铜催化剂的表面形态与催化活性的关系对于反应机理的研究和催化剂设计非常重要，但目前这方面的研究还很有限。

图1。(a)下多碳产品的部分电流密度-0.8 vrhe；下一个碳产品的电流密度为-0.8 vrhe；氧气共电解的原位拉曼光谱图；多碳产品生成率的密度泛函计算；甲烷生成速度的密度泛函计算；常见电解工艺示意图。

在这项工作中，研究人员发现，通过向反应器中加入氧气并引入氧还原反应，在一定电压下，一些碳产物的部分电流密度增加了100倍以上，甲烷产生的初始电势向平衡电势移动了200毫伏。研究人员认为，氧还原反应可能会在铜电极表面引入含氧物质，从而大大提高二氧化碳还原反应。原位表面增强拉曼光谱(SERS)被用来研究这一过程。结果表明，当引入氧时，拉曼光谱将观察到一个新峰。同位素交换实验和密度泛函理论计算证明该峰属于表面羟基，是氧还原反应的中间产物。为了深入研究表面羟基对二氧化碳还原反应的影响，研究人员计算了多碳产物和甲烷形成的关键步骤。计算结果表明，表面羟基的存在使多碳产物和甲烷的活化吉布斯自由能和吉布斯自由能发生变化，使反应更容易发生，这与实验结果一致。本工作将电化学测量与原位光谱和理论计算相结合，证实了氧还原反应引入后电极表面羟基的存在，阐明了羟基促进二氧化碳还原反应的机理。这也为今后的催化反应机理研究和催化剂设计提供了新的思路。

清华大学化学工程系博士生和李·是本论文的第一作者。清华大学化学工程系博士生，美国特拉华大学化学工程系博士后常，美国哥伦比亚大学教授g .陈，美国加州理工学院教授威廉a .戈达德三世参加了研究工作。本文作者为清华大学化学工程系副教授齐鲁、特拉华大学化学工程系副教授徐炳军和台湾国立成功大学化学系副教授郑慕正。研究工作得到了国家重点研究发展计划和国家自然科学基金的支持。

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17690-8

清华-伯克利深圳学院团队通过绿色反溶剂抑制非辐射复合，在实现高效钙钛矿太阳能电池方面取得了新进展

近日，清华-伯克利深圳学院康飞宇教授、魏国丹助理教授与中国科学院深圳先进技术研究所李江宇教授、华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室朱旭辉教授共同出席。发表在材料领域的国际顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials)上，标题为“通过绿色反溶剂工程抑制缺陷诱导的非辐射复合以实现高效的钙钛矿型太阳能电池”。本文通过绿色反溶剂工程，报道了通过绿色反溶剂处理获得的高质量钙钛矿薄膜可以抑制缺陷诱导的非辐射复合，从而实现高效的钙钛矿型太阳能电池。

有机-无机杂化钙钛矿因其可调带隙、低激子结合能、高载流子迁移率和长载流子扩散长度而受到广泛关注。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其高效率和低成本而得到越来越多的研究。为了进一步提高电力系统控制中心的效率，本项目的早期阶段包括组件工程(RSC adv，2019，9，30534–30540)、能级工程(ACS Energy列特)。2019，4，24912499)和形态优化(IEEE第46届PVSC，2019，1195-1199)然而，通过传统的一步溶液处理方法制备的钙钛矿薄膜通常容易受到由缺陷引起的非辐射复合的影响，这严重阻碍了器件性能的提高。反溶剂工程已被证明在调节晶体成核和晶粒生长方面是有效的。然而，实现高效装置所需的反溶剂量非常大，更严重的是，大多数反溶剂是有毒的，例如致癌溶剂氯苯和甲苯。显然，毒性与绿色化学的工业发展理念背道而驰，绿色化学已成为低成本溶液法大规模生产的主要障碍。

用溶于乙醇(Eth)的单克隆抗体(MABr-Eth)作为绿色反溶剂处理钙钛矿薄膜，可以提高钙钛矿的晶粒尺寸和结晶度，钝化表面缺陷。此外，单克隆抗体可与乙醇洗涤产生的二氧化铅反应，分解Cs 0.15 fa 0.85 Pb 3，避免钙钛矿损失，增强光吸收。在这种情况下，ITO/PTA/cs0.15 fa0.85 ppbi 3/pc61 BM/phen-nadpo/ag的最佳能量转换效率(PCE)为21.53%。此外，相应的光合细菌具有更好的储存和光稳定性。

图1c-钙钛矿薄膜在光和暗条件下的原子力显微镜研究

图2钙钛矿型太阳能电池的器件结构、能级排列、伏安曲线和其他电学特性的表征

图3钙钛矿薄膜的飞秒瞬态吸收光谱及可能的激子俘获和复合过程

清华大学伯克利分校深圳学院魏国丹副教授和中国科学院深圳先进技术研究所李江宇教授是本文的合著者。清华-伯克利深圳学院博士后徐是本文的第一作者。本研究得到了深圳市发展和改革委员会、深圳市科技创新委员会、国家博士后科学基金和广东省自然科学基金的资助。

纸张链接:

http://online ibrary . Wiley . com/doi/full/10.1002/adma . 202003965

清华大学材料研究所杨金龙教授课题组

共同发明烧结不收缩高强度泡沫陶瓷

陶瓷材料在烧结过程中存在自发收缩，尤其是高孔隙率泡沫陶瓷，其烧结收缩率高达40 ~ 80体积%。最近，清华大学材料研究所的杨金龙教授和苏黎士联邦理工学院的安德烈斯·斯图阿特教授联合发明了一种由金属颗粒自组装而成的超稳定泡沫浆料，并首次基于金属颗粒的柯肯达尔效应制备出了无烧结收缩性能优异的Al2O3陶瓷和Al2O3/Al复合材料。揭示了热氧化过程中Al核/Al2O3壳结构的空成核过程和机理，并进一步利用亚微米粉末原位空成核引起的膨胀来抵消粉末的烧结收缩，从而实现陶瓷材料的烧结零收缩甚至负收缩制备，是一项颠覆性的技术创新。

通过构建亚微米级的多级孔结构，这种新型空芯球组装材料具有超高的力学性能，孔隙率为90%的氧化铝泡沫陶瓷的抗压强度高达14.8兆帕，是泡沫陶瓷的2-10倍，如图1和表1所示。图2显示了多级空氧化铝泡沫陶瓷的微观结构。研究工作还证明了将这一思想与三维印刷、冷冻注射成型工艺和凝胶注射成型工艺相结合构建多级多孔材料的普适性，为制备具有近净尺寸的轻质高强陶瓷材料提供了一种新思路。

图1 空组装有芯珠的多级多孔陶瓷的机械性能

表1烧结无收缩铝/氧化铝复合泡沫材料与传统亚微米粉体制备的氧化铝泡沫陶瓷的比较

图2多级空氧化铝泡沫陶瓷的微观结构

相关研究成果已申请发明专利，并发表在《高级功能材料》杂志上，标题为“通过胶体组装和金属粒子氧化制备超强多孔材料”。主编和审稿人对研究工作给予了高度评价:“这篇文章应该作为一篇非常重要的文章发表(VIP)。本文的工作是材料科学与技术的一大进步。这种新型的建筑陶瓷材料工艺可以制备出比其他方法强度更高的氧化铝泡沫陶瓷，特别是高孔隙率(孔隙率在85%-95%之间)的泡沫陶瓷。本文报道了近零尺寸收缩的多维泡沫陶瓷的制备。从经济的角度来看，它对制造复杂形状的器件具有重要意义。这篇文章有许多科学创新。例如，用肯德尔效应得到的空芯球制备宏观陶瓷生坯的想法是非常有创意的。通过控制烧结过程中收缩/膨胀的平衡，可以实现接近零的体积收缩，这对于陶瓷制备过程有很大的贡献。本文将该方法与3D打印技术、冷冻注射成型、凝胶注射成型等方法相结合，为该方法在复杂形状器件制备中的应用奠定了基础。”

本文的作者是清华大学材料研究所的杨金龙教授和苏黎士联邦理工学院的安德烈教授。第一个单位是清华大学材料研究所。霍博士和博士是本文的第一作者。

纸张链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003550

第一次在清华大学电机系

成功研制了一种200℃高效介电储能薄膜

近日，电子工程系副教授和何教授在《自然通讯》杂志上发表了题为《基于聚合物-分子半导体全有机复合材料的高温电容薄膜》(高分子/分子半导体全有机复合材料用于高温介质储能)的论文，首次研制出200℃高效介质储能的全有机复合薄膜。这种全有机复合介电材料在200℃下的介电储能性能不仅远远超过了目前最好的高温聚合物和聚合物纳米复合介电材料，而且在室温下的性能也接近于商用聚合物电容器薄膜，高温介电储能特性得到了很大的改善，同时也制备出了大面积、性能均匀的薄膜，使得薄膜电容器在200℃的恶劣温度环境下的应用成为可能。

聚合物薄膜电容器具有介电强度高、能量损耗低、自愈性好等优点，在全球工业电容器中的市场份额超过其他类型的电容器产品。然而，聚合物介电材料的绝缘性能对温度极其敏感。在高温和高电场的作用下，漏电流呈指数增长，放电效率急剧下降，最终导致电容器过热损坏。目前，主流商用薄膜电容器只能在105摄氏度以下工作，长期工作温度低于70摄氏度。另一方面，随着电子器件和电力能源设备功率的不断提高，以及对小型化和紧凑化功率模块的不断追求，电子材料的工作温度要求也在迅速提高，薄膜电容器的介质材料已经成为高温电子器件和设备的技术瓶颈。

聚合物-分子半导体复合体系的能级和电荷转移示意图分子半导体的静电势分布电极/聚合物界面的表面势分布

本文采用了一种完全不同于以往方法的技术路线，即利用有机光伏器件中电子受体材料的强大能力在高温聚合物中构建深电荷陷阱。这种有机分子半导体电子受体材料具有高的电子亲和力，并广泛用于有机光伏，以有效地分离异质结界面处的激子。它们可以通过表面上极不均匀的静电势分布来强烈束缚自由电子。通过在耐热聚合物中掺杂少量具有高电子亲和性的有机分子半导体，制备了全有机复合高温介电材料。在200℃和200千伏/毫米电场条件下，这种材料的电阻率比高温聚合物高两个数量级以上；200℃时的能量密度和90%以上的放电效率是目前最好的聚合物高温介电材料的2.3倍。此外，全有机复合体系解决了传统有机-无机复合体系中高表面能粒子分散不均匀和引入界面缺陷的问题，在薄膜质量和大规模制备方面具有显著优势。

a:聚合物-分子半导体全有机复合介质膜B:全有机复合介质材料(PEI/DPDI、PEI/PCBM、PEI/ITIC)比传统高温介质聚合物(PEI)具有更好的高温储能特性c:全有机复合介质膜在高温高场下的长期工作循环性能

本文的第一作者是清华大学电机工程系博士后，通讯作者是副教授、教授。该研究得到了国家自然科学基金中国杰出青年基金和创新研究小组项目的支持。

纸张链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17760-x

清华大学地质系地球系统模型的研究和开发达到了一个新的水平

经过多年的发展，清华大学联合国地质系的许多单位于2019年成功完成了社区综合地球系统模型1.1 (CIESM)的开发。最近，国际模型发展主流杂志《地球系统建模进展杂志》发表了一篇题为“社区综合地球系统模型(CIEM):描述和评价”的论文。

联合地球系统模式CIESM包括13个自主开发或改进的物理方案和模块，如改进的深对流参数化方案、单冰云微物理方案、统计云宏观物理方案、四流短波辐射计算方案、亚网格地形拖曳方案、海气通量方案、海洋混合方案、新的热力粗糙度方案等。以及独立耦合器C-coupling 2、新型共形映射海洋网格、高可伸缩海洋正压解算器、新型土壤和水，其中C-coupling 2已被国内许多单位采用，高可伸缩海洋正压解算器已被美国NCAR最新一代地球系统模型CESM2.0采用。同时，通过大量的移植和优化工作，该模型已经在国产高性能计算机“神威太湖之光”上完成了参加第六届国际耦合模型比对项目(CMIP6)的全部测试，为今后国产高性能计算机的更好应用奠定了坚实的基础。

联合地球系统模型已成功完成各种第六次国际耦合模型比较计划(CMIP6)模拟，并上传了相关数据。与现有的CMIP5模式相比，该模式的整体性能处于国际前列(如下图所示)，特别是在困扰国际模式界的几个重大问题上，如热带降水分布、海洋边界层云、ENSO强度和周期等。未来需要改进的主要问题是暖季南极和北极的海冰减少和更高的平衡气候敏感性。

清华大学联合地球系统模式的历史模拟性能的比较，通过使用气候模式诊断和比较程序(PCMDI)的标准诊断包与其他CMIP5模拟(全球平均)进行分析。颜色代表模式均方根误差和多模式平均偏差之间的差异。颜色越蓝，性能越好。正方形中的四个三角形代表春天、夏天、秋天和冬天。第一列是清华大学联合地球系统模型，不同的行代表不同的变量。

目前，清华大学正积极开展基于该模式的相关研究，不断满足国家在气候变化研究方面的重大战略需求，全面提升中国应对极端气候和自然灾害的能力。未来模型将进一步增加冰盖模型、大气化学和各种生物地球化学过程等多种成分，实现与社会经济模型的耦合，为中国可持续发展和应对气候变化提供坚实的科学基础和政策指导。

联合地球系统模型开发团队包括来自清华大学、北京师范大学、自然资源部第一海洋研究所、lasg、南京信息科技大学、复旦大学、南京林业大学、无锡江南计算技术研究所和国家超级计算无锡中心的30多名研究人员。本文的第一作者和通讯作者是清华大学地球系统科学系教授林燕鸾。

纸张链接:

http://agu pubs . online ibrary . Wiley . com/doi/epdf/10.1029/2019 ms 002036

清华大学微纳电子学系在《自然电子学》上发表了一篇综述论文

本文介绍了集成存储器和计算芯片的研究

近日，清华大学微纳电子系副教授高斌与北京未来芯片技术高级创新中心合作，在《自然·电子》在线发表了一篇题为《像计算芯片一样的大脑》的评论文章。系统地介绍了类脑计算芯片的历史、现状和未来前景，着重分析了集成存储器和计算芯片的设计方法和研究挑战。

芯片计算能力是人工智能技术的三大要素之一。传统的计算芯片是基于场效应晶体管、数字逻辑运算和冯·诺依曼架构设计的，其优势在于高精度的数据处理。近年来，人工智能应用对数据计算的需求激增，与传统计算芯片的计算能力饱和形成了尖锐的矛盾，严重制约了人工智能技术的进一步发展。通过模拟生物大脑的结构和信息处理机制，新型集成存储芯片可以显著提高人工智能任务的计算效率，弥补传统计算芯片的不足。它在终端智能电子设备和云服务器领域具有巨大的发展潜力和应用前景。

生物脑与记忆集成芯片

存储和计算的集成是大脑最重要的特征之一，也是实现高计算能力和高能效的关键技术。由于集成存储芯片利用存储器件的模拟特性进行计算，电路中的各种误差给芯片设计带来了巨大的挑战。只有通过从器件到电路到架构和算法的协同优化，才有可能保持集成存储芯片的计算精度，同时大大提高计算能力和能量效率。本文详细分析了集成存储和计算设备的特性、可靠性和成品率要求、阵列结构选择、电路设计方法、体系结构优化方法、算法编译和映射方法以及片上训练方法。总结了协同设计技术和设计自动化工具链的总体框架，展望了集成存储和计算芯片的未来发展趋势。

集成存储芯片发展路线图

设备:以忆阻器为代表的神经形态设备正在不断优化。未来，他们将继续提高性能，开发大规模集成技术，实现各种神经形态器件的异构集成和三维高密度集成。

芯片方面:小规模集成存储器和计算宏电路不断改进。未来，协同设计技术的链条将被打开，基于各种神经形态器件的可扩展的通用集成存储计算芯片和类脑计算芯片将被开发出来。

高斌副教授一直从事忆阻器性能优化和集成存储器芯片设计方法的研究。他成功开发了从器件到系统的协同仿真工具和协同优化方法，设计了计算精度大于95%、能量效率大于78托普/瓦的高性能忆阻器集成存储芯片。在国际电子器件会议(IEDM)、超大规模集成电路会议(超大规模集成电路)、国际固态电路会议(ISSCC)和设计自动化会议上取得了相关成果。 高斌还于2019年在《自然通讯》上发表了一篇关于忆阻器机制和模型的评论，并于2020年在《电气和电子工程师协会学报》上发表了一篇关于集成器件和电路的评论。

清华大学微纳电子学系的何谦教授和吴华强教授的团队对存储与计算集成芯片进行了系统的研究，近年来在《自然》、《自然纳米技术》、《自然通讯》等杂志上发表了多篇文章。本文作者为吴华强教授，合著者为和博士生，合作者还包括清华大学新竹分校的张教授、韩国科技学院的柳海俊教授和清华大学微纳电子系的博士、唐建时助理教授、教授。

纸张链接:

https://www.nature.com/articles/s41928-020-0435-7

清华大学化学系曹华强教授

黑磷烯纳米带的研究取得了重要进展

最近，清华大学化学系曹华强教授及其合作者的研究小组在《自然通讯》在线发表了一篇题为“解开黑磷的拉链形成之字形亚磷纳米带”的研究论文。该研究小组使用电化学手段来控制氧分子的浓度，并制备沿之字形排列的纳米带；同时，通过调节电流密度可以实现黑磷烯纳米片、纳米带和量子点的可控制备；通过理论计算，揭示了氧分子定向切割黑磷的机理，利用制备的黑磷烯纳米带构建了场效应晶体管器件，并对其载流子输运特性进行了深入研究。

黑磷的二维纳米结构，包括单原子黑磷和几层黑磷(

受黑磷在空气体环境中可以被氧化和分解这一事实的启发，该团队设计了一种电化学方法来有效地调节黑磷周围的离子嵌入速率和氧分子浓度，从而可控地制备黑磷纳米结构的尺寸和大小，并获得一系列的黑磷纳米结构，包括纳米片、纳米带和量子点(图1)。结构表征证明所制备的黑磷烯纳米带具有良好的结晶度和柔韧性。

图1之字形取向的黑磷烯纳米带的结构表征(z-PNB)

图2电化学分解黑磷晶体形成锯齿形取向的黑磷纳米带的机理(z-PNB)

根据电化学解离机理，制备过程分为两步，即离子插层和氧驱动解离过程(图2)。在电化学过程中，BF4-离子沿A轴方向(即[100]方向和之字形方向)插入到黑磷晶体的夹层中。同时，氧分子被化学吸附和解离，在黑磷表面形成悬空氧，与水分子形成氢键，水解磷氧磷，导致磷磷键断开。以之字形方向“解链”的方式，对不同氧分子在黑磷烯烃上的吸附和解离路径进行了理论计算、分析和比较(图3)。结果表明，间隙氧对的形成是分解黑磷晶体的磷-磷键，最终形成锯齿形取向的黑磷纳米带的关键步骤。

图3大块黑磷氧驱动解离反应机理的理论计算

研究团队利用铜网掩膜法设计并制作了基于黑磷烯纳米带的场效应晶体管器件，探索了其载流子输运特性，实现了器件的p-n型转换，为黑磷烯纳米带在有源矩阵显示技术、射频器件和互补金属氧化物半导体器件中的应用提供了关键材料，开辟了新的研究方向。

图4黑色膦烯纳米带的电子性质(z-PNB)

本文作者为清华大学化学系曹华强教授、清华大学微纳电子学系副研究员谢旦、英国剑桥大学材料科学与冶金系教授安东尼·基瑟姆、化学系博士生刘志芳、微纳电子学系博士生孙一林。南开大学稀土与无机功能材料研究中心材料科学与工程学院的李伟教授和中国科学院高能物理研究所的王教谷副研究员参加了此次研究。这项工作得到了国家重点研究发展计划和国家自然科学基金的资助。

纸张链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17622-6