铌酸锂薄膜光子芯片是哪个公司, -凯发k8娱乐

本文导读:

1,? 铌酸锂薄膜材料研究进展(几篇大文章);

2,? 铌酸锂电光调制器的行波电极仿真;

5月12号,师伯祝世宁院士会有一个微纳光学的在线专题讲座,内容肯定少不了南京大学在铌酸锂材料方面的峥嵘岁月,我在这里也给祝老师打个广告,详情请看两江科技评论的消息:光学微结构研究的回顾与展望。前几天,两江科技评论还报道了清华大学李杨课题组在nanophotonics杂志上的一篇综述:集成铌酸锂光子学。模数哥看了一下,写的蛮细致的。巧的是,模数哥去年也做过一些关于铌酸锂材料的调研和仿真,由于不成系统,就没有写帖子介绍。今天趁着两江的热度,我把近年来铌酸锂薄膜材料的几篇大文章拿出来和大家稍作讨论。

铌酸锂薄膜材料的几篇大文章

铌酸锂材料的晶体结构属于3m点群,是一种具有较高双折射的单轴晶体,同时具有非常大的电光调制系数和光学非线性系数,在光学、压电等方面都有广泛的应用。

在闵乃本院士、祝世宁院士等几代人的不懈努力下,南京大学介电体超晶格实验室立足铌酸锂材料,深耕非线性光学,通过准相位匹配(quasi phase matching, qpm)的技术,将准周期引入介电体超晶格中,最终实现了红外光到红、绿、蓝三基色的转变。此外,研究团队还基于铌酸锂材料在光散射的准位相匹配增强效应、高频超声激发、微波与超晶格振动耦合等方面做出了广泛而优秀的工作,获得了2006年国家自然科学一等奖的最高荣誉。

随着新技术、新工艺的发展,近年来片上铌酸锂单晶薄膜材料(lithium niobate on insulator, lnoi)获得了广泛的关注。尤其是以山东济南晶正电子科技有限公司为代表的科技公司,率先研发出直径3英寸、厚度300-700纳米铌酸锂单晶薄膜产品,实现了世界性突破。铌酸锂薄膜材料能够直接和现在硅基光学的cmos半导体工艺结合,克服加工方面的困难,并继续发挥铌酸锂材料高折射率差、高电光系数等方面的优点,在大规模光子集成、光量子通信等方面具有重大潜力。

如上表所说, lnoi利用铌酸锂单晶材料,与硅材料相比具有更高的电光系数和二阶非线性系数(硅材料没有二阶非线性),在透光波段方面也具有更大优势。另一方面和体块的铌酸锂材料相比,用铌酸锂薄膜材料和衬底材料较高的折射率对比度,制作的光波导具有更小的模场面积,能够实现更小的弯曲半径,可以实现接近硅基光子器件的集成度。

随着铌酸锂薄膜材料的成功研发,全球多家科研单位对lnoi展开了丰富而密集的研究,国内以南京大学、华东师范大学、中山大学等高校为代表,国外则以哈佛大学marko lon?ar教授课题组为代表。近年来,依托济南晶正公司的铌酸锂产品,lnoi成为了该课题组的主要研究方向,且在nature、science等重量级刊物上连续发表了多篇论文。

上图所示是哈佛大学marko lon?ar课题组2017年发表在optica上的一个工作,利用lnoi材料制作的片上微环谐振器具有非常小的传输损耗和弯曲损耗,q值可达107量级,在电光调制方面具有非常大的优势。

上图所示,2018年该课题组进一步设计了经典的马赫-增德尔干涉仪结构(mach–zehnder interferometer, mzi),充分发挥lnoi的优势,实现了200 ghz的调制速度,发表在了nature正刊上,标题为integrated lithium niobate electro optic modulators operating at cmos-compatible voltages。与传统电光调制器相比,基于纳米微加工技术开发出的这种微型、高效的新型铌酸锂电光调制器,其数据传输速度更快、能耗和成本更低,有望促进5g产业的发展。

需要注意的是,该行波调制器中射频结构工作时更像一个传输线,而不是一个汇聚的电容。射频信号沿着电极线传输,光也沿着波导传播,在相互作用区域可以同时产生作用。所以在设计lnoi波导和rf电极的时候,我们需要注意其模式速度之间的匹配。如上图所示,对于铌酸锂波导而言,其光学模场主要束缚在脊形区域内,而rf模场则分散在电极中间,且在波导区域内电场方向主要是平行于铌酸锂薄膜表面。通过适当优化介质层sio2的厚度可以实现光学和射频模式有效折射率的匹配。

上图所示marko lon?ar课题组2019年的最新工作,使用lnoi实现了宽谱的电光频率梳,文章标题为broadband electro-optic frequency comb generation in a lithium niobate microring resonator。以往绝大部光学芯片上产生的光频梳都基于光学三阶非线性原理(克尔效应),即通过级联的四波混频过程产生频梳。利用这种方法可以产生频谱范围超过二倍频的宽频光梳,然而由于其物理过程比较复杂,实现稳定可控的片上光频梳源仍然面临各种挑战。在该工作中,研究人员首次在一个铌酸锂集成光子芯片上实现了宽谱电光频梳。这种新型光频梳不仅继承了传统电光频梳的稳定性,而且体积小、功耗低、并从根本上解决了色散对电光频梳宽度的限制——实验室样品芯片即达到了超过900条光谱线的产生和超过80纳米的带宽。

与此同时,国内同行在lnoi方面的研究也在密切展开。中山大学蔡鑫伦、余思远课题组设计了铌酸锂薄膜与硅基芯片混合集成的电光调制器件,该器件实现了远超传统纯硅电光调制器的调制带宽(> 70 ghz,达到现有测试系统极限)、创纪录的低插入损耗(< 2.5db)、高于传统铌酸锂调制器4倍以上的调制效率(2.2 v?cm),并具有高线性度、高集成度以及低成本等优异特性,其加工方法可以与标准cmos工艺后端兼容。研究人员还进一步演示了112 gbps超高数据调制速率以及170 fj/bit的低功耗。该成果2019年三月份发表在nature photonics上,标题为high-performance hybrid silicon and lithium niobate mach zehnder modulators for 100 gbit s?1 and?beyond。

综上所述,铌酸锂材料最新的发展方向是基于薄膜材料与cmos半导体工艺相结合。利用现有的半导体微加工技术并充分发挥铌酸锂薄膜高集成度、高折射率比、高电光系数等优势,在光子集成、量子集成芯片等方面具有重要应用潜力。

铌酸锂电光调制器的行波电极仿真

如前文所述,2018年哈佛大学lon?ar组进一步充分发挥lnoi的优势,实现了200 ghz的调制速度,发表在了nature正刊上,中山大学蔡鑫伦、余思远课题组也很快在nature photonics上报导了他们铌酸锂薄膜与硅基芯片混合集成的电光调制器件工作。这里所用的射频行波调制器,更像是一个传输线,而不是一个汇聚的电容。射频信号沿着电极线传输,光也沿着波导传播,在相互作用区域可以同时产生作用。所以在设计lnoi波导和rf电极的时候,我们需要注意其模式速度之间的匹配。

对于铌酸锂波导而言,其光学模场主要束缚在脊形区域内,采用comsol的模态分析(mode analysis)可以轻松地仿真出其云图和有限传播常数(原文fig. s1a):

?

而rf模场则分散在电极中间,且在波导区域内电场方向主要是平行于铌酸锂薄膜表面(原文fig. s1a):

?

虽然都是做波导的模式分析,但是这里还是有一些需要注意的地方:

1,由于rf波导是有三个平行电极构成,所以我们仍然可以利用模场的反对称性,采用半模型的方法来分析。这个方法类似于我们单独分析光子晶体板的te或tm模式:模型分享- 2020?science 超快控制的涡旋激光器。

2,如何具体地优化介质层sio2的厚度,来实现光学波导和射频波导的模式有效折射率的匹配。就需要我们清楚地调研出各种材料在不同波段内的材料色散。

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本文内容转载自《红外技术》2018年第9期,凯发k8国际的版权归《红外技术》编辑部所有

陈效双,何家乐,李庆,李冠海,王文娟,胡伟达,陆卫

中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海科技大学物质科学学院

摘要:近年来,中红外雪崩光电二极管(apd)阵列,以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点,成为光纤通信、三维激光雷达成像、天文物理以及大气观测等应用的重要器件。本文具体介绍了中红外雪崩光电探测器的结构和探测原理,对其结构参数相关的性能以及优缺点进行了详细介绍,并展望其发展前景,同时介绍了一些中波红外雪崩光子探测器研究和应用进展。

关键词:雪崩光子探测;中波红外探测;碲镉汞雪崩光电二极管

0 引言

爱因斯坦对现代科学的主要贡献之一就是认识到光的能量是量子化的,这一最小光量子单位即被称为光子。光子数可分辨的探测能力是光子信息处理核心技术。作为最小信息的载体,最小光量子的光子探测是光信息探测的最高灵敏度。如果按照单个光子的频率对应的能量计算,在可见光和近红外波段内,其能量仅在10-19 j量级。要想探测这样微弱的信号,人们开始研究特殊的光电探测器件——雪崩光子探测器。目前雪崩光子探测器己在科学与工程领域的前沿得到了广泛的应用。初期的雪崩光子探测器多以光电倍增管与雪崩光电二极管为主,这类传统雪崩光子探测器支撑起了早期对于可见光波段弱光检测的实际应用。

然而随着量子信息(quantum information,qi)技术的飞速发展,像光纤通信、三维激光雷达成像、天文物理以及大气观测等应用,传统的雪崩光子探测器己无法满足其需求。量子信息技术利用单个量子单元(如光子)以编码和传递信息,在信息传输速度及安全性都展现了极大的潜力。在量子密钥通信中,为了避免被窃听获取信息的风险,通常需要以单个光子传输信息以提升系统的安全性。此外,量子计算协议(optical quantum computing,oqc)也在技术上对雪崩光子探测及雪崩光子源提出了更高的要求,如信噪比、探测效率、光谱范围与雪崩光子分辨能力等参数都需要远远超出传统的雪崩光子探测器。量子信息技术已经成为国际的前沿领域,美国的麻省理工学院、加州理工大学和南加州大学共同联合建立了量子信息和计算研究所,将量子信息作为3项重点研究方向之一。最近,raytheon公司使用mbe(molecular beam epitaxy)获得了zncdte基的碲镉汞apd(avalanchephoto diode)器件。采用该探测器的激光成像雷达系统获得的三维图像具有极佳的空间和距离分辨率。为了满足量子信息技术快速增长的广泛应用需求,世界各国的科研工作者正在不遗余力地优化和变革传统雪崩光电探测器结构和性能,同时也在不断地提出新的雪崩放大的探测思想和概念。

1 雪崩光子探测器性能指标

雪崩光子探测器的性能通常以光谱范围、死时间、暗计数率、探测效率、时间抖动和光子数分辨能力等通用指标进行评估。不同的光学应用环境,对其的要求也不尽相同。雪崩光子探测器的具体性能,主要通过以下参数来反映:

光谱范围(spectral range):雪崩光子探测器只对一定光谱范围内的光子信号有响应,这一光谱范围通常由其吸收层材料带隙所决定。对于可见光波段,目前技术最成熟的是硅雪崩光子探测器;而对于短波红外常见的波长1550nm通讯波段,一般使用ingaas雪崩光电二极管。目前对于中长波雪崩光子探测方面的研究,最具有潜力的探测器是碲镉汞雪崩光电二极管。美国drs公司研制的截止波长4.3μm的雪崩光子探测器光谱响应,如图1所示。

图1 美国drs公司研制的截止波长4.3 um的雪崩光子探测器光谱响应

死时间(dead time):死时间,又被称作探测器的恢复时间。探测器在实现一次光子探测后,需要一定的恢复时间来响应下一个光子,这个时间即称为死时间,这期间探测器无法探测到任何光信号。通常而言,探测器的材料与结构类型对探测器的死时间起主要作用,但是,在大多数情况下,死时间的实际测量结果也与探测器的外置电子电路密切相关。对于半导体雪崩光子探测器而言,刻意地延长死时间以抑制后脉冲会极大地影响探测器的最大计数率,因此在雪崩单光子探测器中通常辅助以“淬灭一重置”电路以改善其死时间特性,并使其远小于系统的工作时钟频率。

暗计数(dark count rate):在没有入射光子的情况下,探测器自身也会产生一些非光子响应的输出信号,通常被称为暗计数。探测器的材料缺陷、偏置条件或外部噪声会导致误计数,因此,决定了暗计数的水平。汞空位掺杂碲镉汞apd暗计数与工艺的关系,如图2所示。针对半导体雪崩光子探测器,在隔离的实验室环境下暗计数的测量实际意义不大,必须将探测器集成到系统的应用环境下测量其暗计数,确保为真实应用时暗计数的大小。通常情况下,暗计数的数值单位表达方式有两种,一种表达为个/秒,也可表达为个/探测门。通过工作在门触发模式或设置淬灭时间,人们能实现有效减缓探测器的暗计数率。探测器的抖动时间决定了最小探测门宽或淬灭时间的间隔。

图2 汞空位掺杂碲镉汞apd暗计数与工艺的关系

探测效率(photon detection efficiency):针对雪崩光子探测器,通常定义探测效率为其探测到入射一个光子或者入射一束光子的效率,也即探测器响应入射光子的概率,是器件的光子探测能力的体现。探测效率可由下式给出:

式中:rout指探测器的输出计数,也即实际计数值;rincident为入射的光子数。在实际光电响应应用中,因为在入射光传输到探测器的过程中,光子耦合可能存在一定的损耗,因此探测器的整体探测效率可以分解为耦合效率ηcouple和内量子效率ηquantum两部分,也即η=ηcoupleηquantum。一般情况下只讨论最终表现的整体探测效率η。为了确保探测效率的精确测量,一种方式是通常使用已经校准的光子源,另一种方式通常使用相关光子对来进行实验,同时要考虑到探测器的死时间,并且需要依据探测器的暗计数对rout进行修正。理论上理想的雪崩光子探测器的探测效率能达到100%。随着材料制备水平的提高和器件结构优化技术的发展,雪崩光子探测器已经接近理想的探测效率。

时间抖动(timing jitter):当光予入射到雪崩探测器的光吸收材料上,光子被吸收后探测器产生的电脉冲信号输出之间会有一定时间延时,该延时的时间范围通常被称为时间抖动。对时间抖动的可靠测量,实验上通常采用多次测量相同时间的入射光子数,在时间轴上获得输出信号的统计分布的半高宽(full-width half-maxlmum,fwhm)来确定。单个光子计数的最大时钟频率通常取决于探测器的时间分辨率,而探测器的时间分辨能力则由时间抖动决定。这项参数对雪崩光子探测器的很多实际应用都至关重要,比如在激光测距中决定其表面分辨率,在三维成像技术中决定了其精确度。

光子数分辨能力(ability to resolvephotonnumber):通常定义为准确分辨入射光子数的能力为雪崩光子探测器的光子数分辨能力。相比较当前的光子数敏感探测器件,大多数的传统光子探测器只能分辨“无光子”或者“有光子”两种状态,这种二元响应意味着多光子响应与雪崩光子响应的输出信号是相同的,而目前量子通讯领域的应用需要区分每个光子态。激光器在远高于阂值时,其光子数分布服从泊松统计:

式中:(n)表示每个脉冲中的平均光子数。因此,光子数可分辨探测器的探测效率越高,越能真实反映入射的光子数。针对具有光子数分辨能力的雪崩光子探测器,人们可以利用其光响应输出的电信号强度来确定入射的光子数。

2 光子探测器技术

近年来光子探测技术正在飞速发展,越来越多的可用于光子探测的技术已经见诸报道,包括光电倍增管(photomultiplier tube,pmt)、雪崩光电二极管、频率上转换技术、可见光子计数器(visible lightphoton counter,vlpc)、超导光子探测器、量子点场效应晶体管(qdfet)等。本章将对目前各种光子探测技术的性能和前景进行总结和分析,在介绍各种光予探测技术的物理机制、性能和优缺点的同时,也指出了其进一步研发的潜力以及未来的发展方向。

1)光电倍增管

光电倍增管是于1949年最早实现单光子探测的元器件,目前已经得到了广泛的商业化应用。

光电倍增管由一个真空管、阴极、阳极和几个电子束倍增极组成,如图3所示。当入射光子到达光电阴极以后,激发出光电阴极的电子,在电场作用下获得加速并依次冲击各级电子倍增极,每一次冲击释放出的电子都可在电场加速下冲击下一级倍增极。通过给pmt的各级倍增极施加比前一级更高的电势,可以产生非常显著的级联放大作用,单个电子就能产生106数量级的电子,被阳极收获而产生宏观电流,从而实现对雪崩光子的探测。

图3 光电倍增管工作示意图

与其他单光子探测器相比,pmt具有较大的探测面积(可达到平方厘米甚至平方米量级),极高的灵敏度和较高的增益。pmt也有着响应速度较快(输出信号上升时间低于1ns)、暗计数低(室温下只有几十hz)以及光谱覆盖范围宽(115~1700nm)的优点。

受光电阴极材料的外光电效应效率的限制,pmt的量子效率很难超过40%。由于pmt采用多倍增极的结构,其电子渡越时间分散较大,因此pmt通常具有较低的时间分辨率。通常而言pmt的物理尺寸较大,同时需要高真空与高偏置电压的工作环境,其中的电子也极易受磁场等外加因素的干扰,这使得pmt在机械稳定性、使用寿命、工作稳定性等方面具有较多的缺点,极大地限制了pmt的应用。另外,虽然pmt具有较宽的光谱覆盖范围,但是限于红外波段低至2%的量子效率,目前pmt在红外量子通信波段尚少实际应用价值。

为了提高pmt的时间分辨率,出现了采用单级倍增结构的微通道端面光电倍增管(microchannel plate,mcp)。其基本结构即为将一种内壁涂有二次电子发射材料的玻璃毛细管密集成束,当光电阴极激发的电子进入玻璃管时,电子在玻璃管内部反复撞击而引发出更多的次级电子束,从而产生较大的增益。与传统的pmt结构不同,这种结构的倍增极是连续的,由于电子倍增是在单个微通道内的连续倍增极上产生的,因此具有较高的增益稳定性,其时间抖动可低至20ps。

2)雪崩光电二极管

雪崩光电二极管是一种具有较高内增益和频率响应特性的器件,通常在pn结上加以重掺杂而形成。器件通常工作在较高的反偏压下,当入射光激发吸收层的光生载流子,在器件内部载流子与晶格碰撞离化会产生极强的雪崩倍增效应,可以将单个载流子产生的光电流放大至宏观上可被探测的程度,因此apd可用于单光子探测。apd的基本结构是工作于反向偏压下的pn结,当光子入射被吸收区域的电子吸收时会产生一个电子一空穴对,这一电子一空穴对在反偏压电场作用下分别向不同方向漂移从而形成光电流。比较普通的光电二极管,apd工作在较高的反向偏压下,形成了强电场加速光生载流子获得较高的能量,在与晶格发生碰撞后将使晶格中的原子发生电离产生新的电子一空穴对,这一碰撞电离过程与pmt的过程类似。这些新的电子一空穴对又可以在电场作用下获得动能形成新的碰撞电离过程,如此重复即可形成显著的雪崩效应,使apd中的载流子数目迅速增加,从而将入射的光信号不断放大,最终向读出电路输出较强的电信号。

有两种工作模式的apd探测器件,分别是线性模式与盖革模式。它们的主要区别是工作电压大小。线性模式下的apd工作偏压低于雪崩电压,相当于一个具有增益的普通光电二极管。这种apd探测器要求材料的电子离化率和空穴离化率要有较大的差异,输出电流与入射光子数成线性关系,达到光子分辨的探测。而在盖革模式下器件工作在雪崩电压以上,形成的强电场使得进入耗尽区的每个载流子都可以触发雪崩效应,因此工作在盖革模式下的apd具有非常高的光增益,可以达到光子分辨探测的水平。这种模式下的apd相比pmt具有更高的探测效率,但是其暗计数比pmt要高。盖革模式下的雪崩发生后,会一直持续下去直到器件永久损坏,因此需要使用雪崩淬灭电路停止雪崩过程,并复位偏置电压。与pmt相比,半导体apd器件体积小,生产成本低,无需高真空工作条件,并且其制作工艺易于与后续电路集成,因此在大部分领域,apd较之于pmt都有更广泛的应用,例如近来提出的碲镉汞电子雪崩光电二极管,见图4。

目前硅apd的技术已经非常成熟,在可见光波段的应用几乎完全取代了pmt。但是硅材料的光谱响应上限只有1100nm,在红外波段下探测效率极低。目前在短波红外波段雪崩光子响应通常使用ingaas/lnp雪崩二极管,其中ingaas作为吸收层材料,inp作为倍增层材料,其主要工作波段在1100nm~1700nm。由于材料自身的缺陷,也由于其工艺尚不及硅apd成熟,ingaas/inp apd的探测效率一般只有10%~25%,而且暗计数也远高于pmt。

图4 电子雪崩光电二极管工作原理

3)频率上转换(frequency up-conversion)

频率上转换单光子探测技术的核心是将长波光子转换为较易被探测的短波光子,可以更有效地匹配目前技术较为成熟的硅探测器。其原理是通过非线性光学晶体的和频效应产生频率的变化:同时注入频率为a的弱光信号与频率为b的强泵浦光,在一定条件下可产生频率为c的输出光。在足够强的泵浦光下,达到非常高的转换效率,同时保留输入信号光子的量子特性。例如在周期性极化铌酸锂晶体中,1550nm的入射信号光可以在1064nm泵浦光的作用下转换为630nm的光,从而被现有的硅雪崩光子雪崩光电二极管探测,其转换效率可达到90%以上。使用厚吸收层的si spads(检测单个光子的apd)其探测效率达到了46%,对于1550 nm的入射光子其时间抖动为400 ps,暗计数率为800khz。当sispads采用薄吸收层,其系统具有较低的探测效率,但是暗计数仅为20khz,时间抖动低于40ps。

目前频率上转换单光子探测技术在实际应用中面临的主要挑战是其需要较强的泵浦光,这需要较大块的稳定的非线性晶体;若通过波导将泵浦光集中到一个较小的区域以提高强度,又会带来较高的波导输入输出损耗。同时较高的泵浦光会带来较高的背景噪声,这可以通过选用终端探测器无法响应的波长更长的光源来加以改善。频率上转换技术在拓宽雪崩光子探测响应光谱范围的同时可有效地与硅器件集成,因此在近红外与中红外波段仍是最具实用价值的雪崩光子探测技术,同时这种转换技术能实现量子态的相干转换,在量子信息技术领域有着极大的潜在应用价值。

4)可见光子计数器

可见光子计数器是一种超低温工作的半导体雪崩光子探测器,其器件结构如图5所示。vlpc的工作原理与apd略为相似,都是利用载流子在电场加速下碰撞电离而成的雪崩效应来产生大量载流子。在vlpc中光子在硅本征吸收区被吸收产生电子空穴对,在倍增区电场的作用下带正电的空穴向倍增区移动并获得能量,从而与倍增区内的as杂质产生碰撞电离,激发as杂质能级上的电子进入导带。这些被激发出来的自由电子继续被电场加速,激发电离出更多的施主能级,从而导致雪崩式的倍增效应,产生大量的载流子。

?图5 可见光子计数器器件结构示意图

与apd相比,由于vlpc是依靠载流子与杂质离子的碰撞产生倍增,而其中的as杂质能级只是导带下54mev的浅能级,因此只需要6~7v的电压即可使其发生雪崩,其时间抖动也非常小。vlpc的光谱响应范围(400nm~l000nm)与硅apd相近,但是具有更高的探测效率,在694 nm的探测效率高达88%,在近红外波段更是高达93%。同时,与apd中电子空穴两种载流子参与碰撞电离不同,vlpc中杂质能级上的空穴位置相对固定,因此其次级碰撞电离主要来源于杂质能级电离激发到导带的自由电子,这使得vlpc几乎没有倍增噪声,因为低的雪崩电压使得器件具有很好的增益稳定性;因此vlpc的输出电流与入射光子数成正比。相比较apd器件的高雪崩工作电压,vlpc具有更优异的光子数分辨能力。

但是在vlpc中为了达到最佳性能,通常需要在6k的低温下工作,这严重限制了vlpc的工作环境;同时低温下雪崩后的恢复时间较长,在633nm下测得的时间抖动最低也要达到250ps,死时间约为100ns,因此其最大计数率仅在100khz左右,最高探测效率下的暗计数则达到了20khz。这些缺陷使得可见光光子计数器的实际应用非常有限。

5)临界温度跃迁超导传感器(superconducting transition edge sensor, stes)

当温度超过临界温度时,超导材料会迅速从超导态转变为电阻态。超导临界温度跃迁传感器即是基于这一原理的单光子探测器。超导薄膜吸收入射光子之后产生热量而升温,从而使超导薄膜由超导态转为正常态。通过在器件上加以恒定电压,可以将这一电阻变化转变为可探测的电流信号。由于吸收光子数与电阻变化成反比,因此与电流变化成正比,对这一电流信号进行监测即可实现单光子的探测。通常单光子产生的电流信号非常微弱,必须经过低噪声的超导量子干涉仪的前置放大后输出。目前tes主要以硅基材料上生长的金属钨作为超导薄膜。

由于tes主要应用超导材料的热效应进行雪崩光子探测,因此其探测波段较广,可以实现200nm~1800nm波段的雪崩光子探测。同时tes具有非常优秀的探测效率和暗计数特性,在1550nm波段,集成到光学微腔中的tes其探测效率可达到95%以上,而暗计数则低至10-1hz以下。由于tes的系统噪声较低,因此tes具有非常好的光子数分辨能力。为了保持较低的噪声与整体电阻率,需要将squid置于4k的低温环境中,硅基底与超导钨膜的温度更是要控制在100mk以下。受超导材料的热恢复时间所限,tes的死时间一般在微秒量级,时间抖动在100ns左右,这使得tes的最大计数率只有几十赫兹。尽管如此,tes的高探测效率和低暗计数使其在光纤量子密钥分配领域展现了极其优秀的表现,高性能的光子数分辨能力使得超导临界温度跃迁传感器在量子信息和光量子动力学领域受到了大量的关注。

6)导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single-photon detector, snspd)

近来,人们发展了新型的超导纳米线单光子探测器,其也是一种利用超导体的临界温度效应实现单光子探测的超导探测器。初始的超导材料纳米线工作在低于其超导阂值温度(1.5~4k)的超低温下,其工作电流低于临界电流。当一个或多个入射光子被纳米线吸收后会引发局部的热效应,使局部的温度高于超导阂值温度,吸收点附近的材料将由超导态变为电阻,这会导致电流从该点的周围通过,从而使周围的电流密度超过临界电流而转化为正常态。这一趋势继续扩张将形成一个横跨纳米线的电阻隔断,导致其电阻率迅速变大,形成一个可被探测到的电压脉冲,从而实现雪崩光子探测。为了提高器件的光敏面,通常是将纳米线做成蜿蜒的带状形态。目前的snspd纳米线材料通常选用nbn,由于其热效应的发生与恢复时间低达30ps,因此snspd的时间抖动很低,在大面阵探测器中仅有65ps左右,在小面阵探测器中更是低于30ps。

虽然snspd具有高速、高灵敏度和无后脉冲的特点,但是目前在材料生长上受到较大的限制。snspd面临的一大挑战是大面阵探测器的制作,因为纳米线上任何一点的宽度不均匀都会极大地影响其灵敏度。此外,由单根纳米线构成的超导探测器,由于光响应的体积比较小,响应的变化不敏感,光子数分辨的能力比较差,但若通过将多根超导纳米线组成阵列并将其输出端并联在一起,即可实现一定的空间光子数分辨。另外,snspd需要在液氦温度以下工作以实现超导,但是随着超低温制冷技术的发展,光纤耦合的snspd已可以集成到工作温度为3k的闭循环制冷系统中,这有效改善了snspd的应用环境。这些进步使得snspd在量子密钥分配方面产生了巨大的影响,有效提高了传输距离与传输比特率。随着下一代高效器件的出现,snspd将在量子信息领域获得更广泛的应用。

7)量子点场效应晶体管(quantum-dot field-effect transistor,qdfet)

场效应晶体管是一种利用电子场效应以控制载流子的半导体晶体管,利用半导体材料内部外加的量子点或者天然缺陷来捕获光生载流子。qdfet目前主要有两种单光子探测方式:一种是利用光电导的改变以实现单光子探测。当量子点捕获光生载流子之后,可以改变场效应晶体管的电导,而电导的改变与光生载流子数目成正比,因此通过探测电导的变化即可实现单光子探测。这种单光子探测器的最大计数率可以达到400khz,对于805nm光子探测的量子效率高达68%,并具有优异的光子数分辨能力。另一种方案是利用隧穿几率的改变实现单光子探测,其主要原理是量子点捕获光生载流子后可以改变共振隧穿二极管中的隧穿几率。这种器件在550nm处的探测效率达到了12.5%,时间抖动为150ns,暗计数则低至2×10-3 hz。

对于这种基于量子点的单光子探测器而言,其一大优势就是可以通过控制对量子点位置的控制以提高器件的内量子效率以及探测信号的均一性。目前qdfet主要工作在4k的低温下,具有分辨光子的能力且其暗计数较低,但是由于qdfet需要在光生载流子复合之后才能进行下一次探测,因此其时间抖动较高,工作频率较低。

3 中红外雪崩光子探测器研究现状

目前在红外波段,尤其是在中长波红外波段下最具有潜力的雪崩光子探测器件是hgcdte apd雪崩光子探测器。hg1-xcdxte是由hgte和cdte混合的赝二元系统,其晶格常数hgte (x-1)为6.46 a变化至cdte(x=0)为6.48a,随组分x变化极小,与cdznte衬底可以几乎完美地晶格匹配。hg1-xcdxte作为直接带隙材料对红外光有较高的吸收系数及量子效率;同时通过改变hg和cd的组分x,可以实现器件带隙在-0.3ev~1.6ev之间连续变化,响应波段完全覆盖了整个红外光谱范。另外,与其他的红外光电子材料相比,碲镉汞apd的电子与空穴离化率差别大,工作温度范围较广,且具有较高的增益带宽积和高信噪比,这些优势使得hgcdte apd在红外雪崩光子探测领域具有广阔的应用前景。

3.1 碲镉汞雪崩光电探测器的结构

器件结构的选择主要取决于应用的需求,同时要兼顾材料和器件的工艺水平。目前碲镉汞apd中较为常见的结构多是n -on-p平面结以及n -on-p台面结型器件,其中n -on-p平面结器件是最早实用化的碲镉汞器件结构。n -on-p平面结通过外延p型碲镉汞材料注入b 离子形成n区,这种成结方式使得器件使用的材料的选择具有较高的自由度,可依实际需求选择不同的衬底和p型碲镉汞材料;且该类器件工艺简单可靠且成品率较高。因此,迅速成为碲镉汞器件领域最广泛应用的结构。此外,平面结器件的可控性较好,退火后可形成较为理想的n -on-p;器件的等效温差netd和调制传递函数mtf也可做得很好,像元尺寸大于30 um时,mtf即可到达理论值的水平;采用p型材料作为吸收层,其组分梯度引发的较大的内建场可使少子加速向pn结运动,有助于提高器件的量子效率。

n -on-p台面结则易于实现异质结,可通过将pn结的表面高掺杂浓度区设计为高组分材料以实现组分异质结,可有助于抑制表面漏电和减小器件的隧道电流。这类器件的n区通常以in掺杂形成,p型层材料的选取则可为汞空位p型材料或者cu掺杂p型材料。目前n -on-p台面结在工艺上面临比较大的挑战,问题出在热处理p型材料时,in的扩散会导致pn结

进入p型材料的内部,会影响其对于隧道电流的抑制效果。此外,对于台面结的侧向钝化也具有一定的工艺难度。即便如此,台面结利用宽带耗尽层以减小隧道电流的优点仍使其成为极具潜力的碲镉汞apd器件选择。

3.1.1 碲镉汞雪崩光电探测器的理论模拟

碲镉汞材料的一大优势即是其在中长波红外探测领域展现出的巨大潜力。然而随着带隙的减小,碲镉汞器件的隧穿效应也变得更加显著,在需要高反偏压下工作的apd中尤为明显。同时,钝化工艺过程容易导致器件表面出现积累、耗尽和反型层,这些工艺过程导致的表面缺陷显著增加了表面漏电流。因此,表面漏电流带来的高暗电流始终是影响碲镉汞器件性能的关键因素。因此,对碲镉汞器件的暗电流机制进行研究,分析器件的主导暗电流成分,对于提升中长波碲镉汞器件性能具有至关重要的意义。

为了对传统结构下碲镉汞apd暗电流进行分析,中国科学院上海技术物理研究所对传统结构碲镉汞apd的暗电流进行了理论仿真模拟,将srh复合模型、auger复合模型、hurks缺陷辅助隧穿模型等带入计算模型。计算结果显示在平面或台面p-i-n hgcdte e-apd中暗电流的主要产生机制是陷阱辅助隧穿(tat)、srh、带间隧穿(bbt)以及雪崩放大,如图6所示(计算结果表明,辐射复合以及俄歇复合对暗电流的贡献可以忽略不计)。可以看到,在低偏压下暗电流成分由tat占主导,而当反偏压超过一定阂值之后,几种暗电流成份中,偏压较为敏感的bbt和雪崩倍增响应随偏压增大开始迅速增加,导致暗电流快速上升。此时,在几种暗电流机制中,apd的暗电流也迅速由tat机制主导转化为bbt与雪崩倍增机制共同主导,同时bbt电流与雪崩电流之间相互竞争。当入射光信号时,光电流即可在雪崩倍增效应下迅速增加并超过bbt机制的暗电流,从而进入雪崩倍增工作模式。此外,通过对相同倍增区厚度及掺杂浓度的平面及台面结器件分别模拟其ⅰ-ⅴ特性的结果显示,二者雪崩倍增的阂值电压几乎相同,只有在较高的反偏压下结构差异才对其ⅰ-ⅴ特性有较为明显的影响。

此外,进一步对反偏压在-7v下的平面及台面pin apd的电场分布、bbt隧穿及碰撞电离特性进行了计算,计算结果如图7所示。值得注意的是平面结apd中倍增区的电场分布明显高于台面结。从图中可以看出,碲镉汞apd的bbt及碰撞电离特性与其电场分布特性密切相关,平面结apd中的bbt及碰撞电离较之于台面结要高4个数量级。

3.1.1.1 平面结碲镉汞apd理论模拟

中国科学院上海技术物理研究所对平面结碲镉汞雪崩光电二极管的特性进行了理论研究。所应用的结构如图8所示。

图6 碲镉汞雪崩探测器中的暗电流及其主要成分(附图为平面及台面结apd的ⅰ-ⅴ曲线)

图7 平面结及台面结在-7v下的bbt、电场以及碰撞电离特性分布

图8平面结碲镉汞apd结构示意图

图9中展示了理论结果与中国科学院上海技术物理研究所的程雨顺、李浩等人提供的实验结果的对照,结果表明所建立的数值模型可以很好地与实验ⅰ-ⅴ特征曲线相匹配,从而验证了模型的准确性。

如前所述,平面结通常是通过b 离子注入形成n区,通过退火控制形成较为理想的n -on-p结。理论计算表明这一工艺控制精度对碲镉汞平面结apd的/-v特性有显著的影响,如图10(a)所示。较高的b 离子注入浓度和较低的退火时间将导致n一区掺杂浓度较高,从而导致平面结器件暗电流显著增加。

图9平面结碲镉汞apd模拟结果与实验结果对比

图10平面结碲镉汞apd暗电流随(a)倍增区掺杂浓度和(b)结角半径的变化及(c)-7v下平面结碲镉汞apd电场分布图

平面结制作工艺中的退火过程可能导致一定的材料损伤,并在碲镉汞apd的n-p结处形成一些尖峰带来较大的尖峰电场。对此我们同时对平面结apd的电场分布进行了模拟,在反偏压-7v下的电场分布如图10(c)所示,模拟结果显示在结角处会有较高的电场分布,从而导致较高的bbt暗电流。针对这一现象,在图10(b)中对于不同的n一区结角处曲率半径下的暗电流进行了理论模拟,结果显示较为尖锐的结角会极大地增加暗电流。

3.1.1.2 台面结碲镉汞apd理论研究

中国科学院上海技术物理研究所对台面结碲镉汞雪崩光电二极管的特性进行了理论研究。所应用的结构如图1 1所示。

图11 台面结碲镉汞apd结构示意图

图12中展示了理论结果与中国科学院上海技术物理研究所的程雨顺、李浩等人提供的实验结果对照,结果表明所建立的数值模型可以很好地与实验ⅰ-ⅴ特征曲线相匹配,从而验证了模型的准确性。

图12 台面结碲镉汞apd模拟结果与实验结果对比

与平面结相比,台面结不会受结形状影响而产生较大的局域电场,通过分子束外延(mbe)原位成结形成的台面结构可以弥补平面结一个维度的bbt电流,并有效规避了离子注入所带来的晶格损伤。但是由于in的掺杂浓度精度控制受限,很难获得低浓度的倍增区。对于不同掺杂浓度下台面结apd暗电流特性的模拟结果如图13(a)所示,可以看到与平面结相比

台面结的暗电流受倍增区掺杂浓度变化更敏感,而且在高反偏压下仍显著随掺杂浓度的增加而提升。

除了掺杂浓度以外,倍增区厚度的精确控制也是台面结碲镉汞apd工艺的一个难点。图13(b)所示即为台面结apd暗电流随倍增区厚度的变化特性,结果表明台面结apd的暗电流显著地受到倍增区厚度的影响,在-7v的反偏压下倍增区厚度增加1μm会导致暗电流的3~4个数量级的上升。

3.1.2 碲镉汞apd实验进展

碲镉汞apd在红外微弱信号和高空间一时间分辨率探测中具有极大的应用潜力,已成为第三代红外成像探测器发展的一个重要方向,因而近年来得到了快速发展。bae systems的m.b.reine等人制备了背入射平面结n -on-p结构碲镉汞apd,采用液相外延(lpe)法在cdznte衬底上生长p型碲镉汞薄膜。器件阵列大小为4×4,每个光敏元大小为250μm×250μm,160k下截止波长为4.29μm,-11.7v时最大增益达到648,80k下测得的增益归一化暗电流密度在-10 v下为0.3 μa/cm2,过剩噪声因子f(m)≈1。kerlain等成功通过lpe技术制备了截止波长为5.3μm的中波红外碲镉汞apd器件,在-10v时增益可达1000以上,过剩噪声因子f(m)≈1.4。法国cea/leti的johan raytheon成功实现了增益因子为5300和带宽达到730 ghz的碲镉汞apd器件,满足亚光子水平的等效光子数探测,结果如图14所示。国内中科院上海技术物理研究所已经开展了相关工作,顾仁杰等人通过mbe技术生长并制备了pin结构碲镉汞apd器件,在10v反偏下电流增益达到了335。

图13 台面结碲镉汞apd暗电流随(a)倍增区掺杂浓度和(b)倍增区变化规律

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图14 中波碲镉汞电子雪崩探测器对雪崩光子的响应信号

3.2 高密度垂直集成碲镉汞apd研究进展

除上述的平/台面结以外,美国drs与英国selex公司所采用的一种高密度垂直集成光电器件也成为碲镉汞apd结构的一个极具潜力的凯发k8娱乐的解决方案。

hdvip器件系由早期环孔pn器件发展而来,其最大特点是不需使用铟柱互连技术来制备红外焦平面器件。hdvip的结构原理如图15所示,每个像元都有一条刻蚀形成的通路直通硅衬底,其p区由衬底上生长的p型掺杂碲镉汞薄膜组成,n区则通过刻蚀及离子注入形成并围绕在通路侧面,形成了一个p型层围绕着n型层的特殊结构。薄膜的上下两侧都由cdte薄层钝化,并以环氧树脂与下面包含着读出电路前置放大器的硅衬底胶合在一起,其上表面涂以抗反射层以增强吸收。其工作模式与传统结构碲镉汞apd大体相同,仍是由p区中激发的光生载流子在电场作用下经过倍增区以产生雪崩倍增。该器件结构具有如下优点:①器件采用双面cdte钝化技术,其上下表面均由互扩散的cdte薄层钝化,可以显著降低器件的1/f噪声。②由于hdvip器件不需使用铟柱互连技术,使得器件在温度快速变化的环境下仍具有优秀的热稳定性,且与器件的尺寸和规模无关。③由于其二极管成结方向与材料生长方向相垂直,因此其耗尽区仅在一个很小的截面上受到穿孔位错的影响,这极大地降低了器件中的位错密度。④hdvip结构在侧入射下工作,这有效地提高了其量子效率及调制传递函数性能。

图15 hdvip碲镉汞apd结构示意图

美国drs公司己成功研制了hdvip中波红外焦平面器件,在77k下截止波长达到了5.1μm,-10.5v偏压下增益超过了1000。目前已经研制了128×128中波apd红外焦平面器件,同时开展了对目标的距离成像。drs公司甚至将其成功拓展至波红外波段,所制备的80 k截止波长9.7μm的器件测得其偏压为-5v时的增益为114。

4 结论

单光子探测技术在天文、激光测距、遥感、量子通信和生物医学成像等领域都展现了巨大的应用前景。本文系统地介绍了单光子和雪崩探测器的关键性能参数,综述了目前发展中的各种单光子探测技术,并介绍了中波红外雪崩光子探测器的研究进展。对于雪崩光子探测技术的广泛研究已经产生了大量的新型雪崩光子探测技术,而碲镉汞雪崩光电探测器凭借其优异的性能已成为将雪崩光子探测波段由可见光拓展至中红外波段的最具潜力的选择。低暗电流、高增益带宽积、高响应速度和高信噪比的碲镉汞雪崩光电探测器将成为中波红外雪崩光子探测器领域最受期待的研究方向。

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来源:

http://www.nosta.gov.cn/upload/2020slxmgb/showproject.html

转自:材料人

2020年3月24日,科学技术部发布了《国家科学技术奖励工作办公室公告第95号》文件。这份文件对2020年国家自然科学奖、国家技术发明奖通用项目、国家科学技术进步奖通用项目受理项目进行了公布。

这篇文章对所有受理项目进行了整理,汇总了本年度国家自然科学奖、国家技术发明奖通用项目、国家科学技术进步奖中的材料研究相关项目。

国家自然科学奖

序号项目名称提名单位分组1硫族四元半导体结构与物性的理论计算专家提名(方忠,常凯,马琰铭)物理与天文学组2高品质半导体自旋电子学材料制备及自旋相关性质研究专家提名(李树深,杜江峰,田永君)物理与天文学组3极端条件下的原子分子结构特性及动力学湖南省物理与天文学组4新型薄膜温差电池材料与器件研究广东省物理与天文学组5二维原子晶体材料的外延与器件物理中国科学院物理与天文学组6囚禁冷却钙离子精密光谱研究中国科学院物理与天文学组7分子筛催化材料合成机理及应用基础研究专家提名(李灿,施剑林,杨维慎)化学组8石墨烯的功能化调控及分析化学研究专家提名(杨秀荣,万立骏,赵宇亮)化学组9基于主客体识别构筑超分子聚合物专家提名(刘育,唐本忠,郑南峰)化学组10稠环电子受体光伏材料的分子设计与性能研究专家提名(李永舫,周其凤,胡文平)化学组11含氧配体构筑的多孔材料结构调控及性能研究专家提名(洪茂椿,谢素原,杨国昱)化学组12氧化应激过程的分析新方法与分子机制研究专家提名(樊春海,唐波,施章杰)化学组13插层组装材料构筑及功能研究专家提名(方维海,韩布兴,李玉良)化学组14单壁碳纳米管的可控催化合成专家提名(高松,任咏华,卜显和)化学组15多功能结构体系的合成化学基础研究专家提名(冯守华,陈军,俞书宏)化学组16可见光驱动的可控自由基反应研究专家提名(吴骊珠,马大为,游书力)化学组17自组装体系的对称性破缺与超分子手性专家提名(刘云圻,席振峰,周峰)化学组18痕量癌细胞特异识别仿生界面专家提名(张锦,毛兰群,唐智勇)化学组19有机电子给体-受体功能分子体系的设计合成与性能调控北京市化学组20功能导向的微孔配位聚合物设计与合成天津市化学组21基于廉价天然材料的功能碳材料合成与应用基础研究辽宁省化学组22多孔有机骨架材料吉林省化学组23锂硫电池正极材料的构筑及储能机理研究黑龙江省化学组24动物丝及丝蛋白基材料多尺度构效关系研究上海市化学组25可注射性热致物理水凝胶上海市化学组26有序介孔高分子和碳材料的创制和应用上海市化学组27基于负氟效应的有机氟化学研究上海市化学组28基于活泼中间体捕捉的多组分新反应研究上海市化学组29金属催化剂表界面配位结构对催化反应的调控机制安徽省化学组30碳链与金属的螯合化学福建省化学组31光学纳米生物传感分析方法的构建与应用福建省化学组32直接质谱分析不同形态复杂样品方法学江西省化学组33荧光量子点活细胞合成及其生物标记性能调控湖北省化学组34复杂体系中原子分辨的生物分子相互作用的核磁共振方法研究湖北省化学组35荧光探针性能调控与生物成像应用基础研究湖南省化学组36磁性配合物的结构设计及其性能调控机制广东省化学组37构筑重要手性生物活性分子骨架的新策略和新方法甘肃省化学组38表面等离激元贵金属纳米晶颗粒香港特别行政区化学组39碳一分子高选择性转化的催化基础厦门市化学组40电动车动力电池材料结构及性能的基础科学研究深圳市化学组41活细胞化学反应工具的开发与应用教育部化学组42绿色氧化反应新方法研究教育部化学组43生物医用高分子的功能调控及生物医学研究教育部化学组44复杂体系的量子化学方法及应用教育部化学组45难降解含氮、硫、氧有机杂环化合物的微生物分解代谢机理教育部化学组46手性金属-有机多孔固体的设计构筑及性能研究教育部化学组47绿色氧化交叉偶联教育部化学组48煤中有机质定向催化加氢转化的化学基础教育部化学组49纳米限域催化中国科学院化学组50激发态动力学与机理研究中国科学院化学组51生物活性物种的光学探针与原位传感分析中国化学会化学组52生物活性材料的仿生构筑及损伤修复与组织再生天津市基础医学组53生物反应器靶向诊治肿瘤方法学研究教育部基础医学组54基于纳米生物材料的抗肿瘤药物递送系统设计和构建基础研究教育部基础医学组55纳米材料在生物体系中的构效机制及成药性研究中国科学院基础医学组56新型纳米载药系统克服肿瘤化疗耐药的应用基础研究中国科学院基础医学组57新型二维半导体及器件基础研究专家提名(施毅,林海青,汤超)信息科学组58快速响应的新型钨钼氧化物纳米结构制备、机理和器件专家提名(高鸿钧,刘益春,杨国伟)信息科学组59高功率超快激光晶体的设计与器件性能调控上海市信息科学组60新型低维光学导波结构及器件基础研究浙江省信息科学组61宽禁带半导体界面自由能调控基础研究及其在单晶中的应用福建省信息科学组62宽禁带氧化物半导体的载流子调控及其光电子器件研究中国科学院信息科学组63iii族氮化物量子结构光电调控机理及器件应用基础国家自然科学基金委员会信息科学组64低维功能材料的能带与电子输运调控专家提名(张跃,彭练矛,叶志镇)材料科学组65基于结构基元的新电磁材料和新效应的发现专家提名(吴以成,陈仙辉,陈延峰)材料科学组66可吸收医用高分子的基础科学与应用研究专家提名(安立佳,张洪杰,杨柏)材料科学组67高安全二次电池及关键材料构建方法和储能机理专家提名(南策文,郭万林,温维佳)材料科学组68锂离子电池三维集流体材料与三维复合电极基础研究专家提名(周济,刘吉臻,黄云辉)材料科学组69原位电镜纳米表征方法的发展与储能机理的原子尺度表征专家提名(郭林,贾金锋,靳常青)材料科学组70面心立方材料弹塑性力学行为及原子层次机理研究北京市材料科学组71纳米材料的化学稳定性研究辽宁省材料科学组72稀土高温热障涂层材料吉林省材料科学组73多功能稀土发光材料的可控合成、性能调控及应用基础研究吉林省材料科学组74稀土掺杂上转换纳米晶的微结构与局域光场调控吉林省材料科学组75高性能电磁波吸收材料构效关系及可控合成方法研究黑龙江省材料科学组76水系锂离子电池电极材料的设计、制备与性能调控上海市材料科学组77功能胶体微球及其组装材料的设计构筑及其性能研究上海市材料科学组78秉承自然生物精细构型的遗态材料上海市材料科学组79限域反应构建晶态能量转换材料及调控机制上海市材料科学组80小电子交换能有机电致发光材料及新型器件结构研究江苏省材料科学组81平面三角构型紫外非线性光学晶体的结构设计与生长福建省材料科学组82二氧化钛纳米带表面异质结构的界面调控与宽光谱效应山东省材料科学组83表界面低温调控与光电/催化过程载流子行为研究河南省材料科学组84石墨烯基纳米复合光催化材料构建与性能增强机制湖北省材料科学组85多元多相合金热力学及其微结构智能设计研究湖南省材料科学组86轻金属基材料的储氢动力学与热力学调控广东省材料科学组87组织诱导性生物材料及其作用机理四川省材料科学组88金属材料变形与损伤机理的原位研究陕西省材料科学组89电极化储能复合电介质材料构筑及结构性能联调理论与方法教育部材料科学组90热-动力学协同效应与金属材料非平衡相变调控教育部材料科学组91钛合金及其复合材料组织调控与改性机理工业和信息化部材料科学组92纳米尺度的新奇接触特性与器件构筑中国科学院材料科学组93面向双高储能器件的新型电极材料的结构设计与性能调控中国科学院材料科学组94光催化材料的能带与微观结构调控中国科学院材料科学组95功能纳米颗粒与微/纳结构阵列的制备及其器件性能研究中国科学院材料科学组96金属材料土壤环境局部腐蚀萌生机理与演化规律中国钢铁工业协会材料科学组97超高温热障涂层材料的非谐振设计理论与性能优化机制中国建筑材料联合会材料科学组98硅基生物活性材料及其组织再生诱导机制中国科协材料科学组99高温结构损伤及断裂安全评价原理上海市工程技术科学组100太阳能光解水制氢的能带调控及反应体系设计上海市工程技术科学组101高性能金属基构件激光增材制造跨尺度形性调控机制江苏省工程技术科学组102镁合金高品质焊接基础理论与方法教育部工程技术科学组103基于材料断裂能量演变的塑性域微纳米切削加工机理研究工业和信息化部工程技术科学组104复合材料点阵结构设计理论及机械强度工业和信息化部工程技术科学组

国家技术发明奖

序号项目名称提名单位分组1新型冠脉靶向药物支架系统研发及其超高精密特种智能制造技术上海市医药卫生组2柔性水膜阳极静电场微细颗粒场协同作用及应用山东省环境和水利组3聚醚醚酮特种纤维制备技术与应用中国石油和化学工业联合会轻工纺织组4纳米颜料胶囊的设计、制备及其在纺织品印染中的应用中国纺织工业联合会轻工纺织组5聚合物纳米纤维及其梯度集合体过滤材料制造关键技术中国纺织工业联合会轻工纺织组6mbr用增强型中空纤维膜制备关键技术与规模化应用中国纺织工业联合会轻工纺织组7定向催化丙烯双氧水直接法清洁高效制环氧丙烷关键技术专家提名(马爱增,孙丽丽,毛新平)化工组8高端芯片用环境友好含氟电子气体的开发与应用专家提名(姚建年,任晓兵,黄富强)化工组9插层定向碳纳米管的宏量制备方法与应用专家提名(杨万泰,刘忠范,杨震)化工组10能源高效利用中纳米杂化材料的结构设计、制备及应用江苏省化工组11秸秆高效转化燃料乙醇关键技术与装备开发及应用河南省化工组12负载纳米金属催化剂的活性结构控制关键技术及其工业应用中国科学院化工组13烯烃可控配位聚合方法与高性能弹性体制备技术中国石油和化学工业联合会化工组14血液细胞荧光成像染料的创制及应用中国石油和化学工业联合会化工组15高性能乏燃料贮存中子吸收材料制备技术及应用专家提名(丁文江,刘正东,吕昭平)材料与冶金组16增材制造用金属粉末材料及其应用技术专家提名(申长雨)材料与冶金组17低铂、高效燃料电池膜电极组件工业化成套制备技术及应用专家提名(彭寿,何琳,吴宜灿)材料与冶金组18金属凝固过程热模拟技术及装备专家提名(蒋成保,段文晖,刘维民)材料与冶金组19npr结构新材料超常力学特性及其工程应用专家提名(张清杰,赵阳升,祝学军)材料与冶金组20基于硅藻土表面结构调控高效环境净化技术及应用北京市材料与冶金组21铁路轨道用高锰钢抗超高应力疲劳和磨损技术及应用河北省材料与冶金组22电气石环保功能陶瓷材料技术与应用河北省材料与冶金组23镁/铝大型薄壁高筋构件均匀强韧化及“长筋”挤压成形技术山西省材料与冶金组24实用型稀土基磁制冷工质及磁制冷机内蒙古自治区材料与冶金组25耐高温双马树脂及其航空航天复合材料制备关键技术辽宁省材料与冶金组26新型高服役性能热作模具钢组织构型调控新技术及应用吉林省材料与冶金组27生物质纤维素组装制备石墨烯材料的技术及产业化推广黑龙江省材料与冶金组28金属连铸多模式定制磁场净化技术与装备上海市材料与冶金组29有机无机原位杂化构筑高感性多功能纤维的关键技术上海市材料与冶金组30第二代高温超导带材关键制备技术及产业化上海市材料与冶金组31浮法在线氧化物系列功能薄膜高效制备成套技术及应用浙江省材料与冶金组32拉曼光谱快速检测痕量毒品毒物的增强基片、方法及仪器的关键技术安徽省材料与冶金组33大型复杂高端零件微铸锻同步超短流程制造技术与装备湖北省材料与冶金组34铝合金半固态加工关键技术及应用湖南省材料与冶金组35彩色视频电润湿电子纸技术广东省材料与冶金组36高效广谱抗菌材料制备及其应用关键技术四川省材料与冶金组37难选冶含锗物料中锗的高效提取关键技术及应用云南省材料与冶金组38基于反应浸渗和构型设计的氧化铝/铁基复合材料制备技术及应用云南省材料与冶金组39高性能铝基铅合金复合材料电极制备关键技术及应用云南省材料与冶金组40高端装备动力与传动系统关键润滑材料技术及其应用甘肃省材料与冶金组41高分子分散与高分子稳定液晶共存体系的材料设计、制备及应用教育部材料与冶金组42稀土永磁二次资源绿色再生新技术及产业化教育部材料与冶金组43高等规聚丁烯-1 的合成关键技术及产业化教育部材料与冶金组44钛合金短流程熔凝成分及组织调控新技术工业和信息化部材料与冶金组45高能量密度锂离子电池纳米硅负极材料中国科学院材料与冶金组46强韧双增金属材料中原位纳米第二相控制理论及关键技术中国机械工业联合会材料与冶金组47柔性梯度隔热制品设计与制备成套技术及高超声速飞行器的典型应用中国建筑材料联合会材料与冶金组48冶金熔体/溶液固相析出反应过程的适配放大方法与应用中国有色金属工业协会材料与冶金组49平板显示用高性能ito靶材关键技术及工程化中国有色金属工业协会材料与冶金组50抗烧损钨电极材料及产业化技术中国有色金属工业协会材料与冶金组51基于航空航天多样性需求的四种新型钛合金研制中国有色金属工业协会材料与冶金组52高强韧多元钼合金材料关键制备技术及应用中国有色金属工业协会材料与冶金组53高比强度高导热镁合金研究开发及应用中国有色金属工业协会材料与冶金组54高性能燃料电池材料规模化制备关键技术及应用中国节能协会材料与冶金组55材料微观力学性能原位测试技术及应用吉林省机械与动力组56难变形合金异形整体薄壳双调热介质压力成形技术黑龙江省机械与动力组57高功率密度燃料电池超薄金属双极板制造技术上海市机械与动力组58重建和修复人体运动功能的穿戴式机器人技术及装备湖北省机械与动力组59硬脆材料光电元件高效超精磨抛划切关键工艺及装备湖南省机械与动力组60陶瓷刀具的高性能设计理论与主动调控制备技术教育部机械与动力组61可发育生物陶瓷仿生骨精准制造关键技术及应用教育部机械与动力组62高效低成本晶硅太阳能电池表界面制造关键技术及应用中国石油和化学工业联合会机械与动力组63高效有机发光二极管制造装备研发及应用江苏省电子信息组64有机复合薄膜mems集成气体传感器阵列关键技术及应用四川省电子信息组65纯电动汽车锂电池组智能管理系统研发及产业化中国科学院电子信息组66高电流密度sic电力电子器件关键技术及应用中国科学院电子信息组67高性能超导纳米线单光子探测技术中国科学院电子信息组68低位错密度2~6英寸氮化镓单晶的气相生长与电学性能调控国家自然科学基金委员会电子信息组

国家科学技术进步奖

序号项目名称提名单位分组1高性能环保塑料管道制造关键技术及应用中国轻工业联合会轻工组2大尺寸陶瓷薄板关键技术与装备研发及产业化中国轻工业联合会轻工组3高性能对位芳纶(芳ii和芳iii)制备关键技术及其产业化上海市纺织组4千吨级对位芳纶工程化及其特种防护材料制备关键技术与应用山东省纺织组5高效率牵伸与低能耗集聚的高品质环锭纺智能纺纱技术及其应用中国纺织工业联合会纺织组6固相共混热致聚合物基麻纤维复合材料制备技术与应用中国纺织工业联合会纺织组7对位芳香族聚酰胺纤维关键技术开发及规模化生产中国纺织工业联合会纺织组8高耐摩色牢度干爽舒适针织面料关键技术及其产品开发中国纺织工业联合会纺织组9高性能纤维可编织技术及在航天器重大需求中的应用中国纺织工业联合会纺织组10涤纶长丝智能化生产关键技术与装备及产业化中国纺织工业联合会纺织组11汉麻高值化全生产链关键技术及产业化应用中国纺织工业联合会纺织组12高性能无缝纬编智能装备创制及产业化中国纺织工业联合会纺织组13高性能聚乙烯纤维干法纺丝工业化成套技术中国纺织工业联合会纺织组14生物酶连续式羊毛快速防缩关键技术及产业化中国纺织工业联合会纺织组15双组份纺粘水刺非织造材料关键技术装备及应用开发中国纺织工业联合会纺织组16基于湿法纺丝工艺的高强pan基碳纤维产业化制备技术中国纺织工业联合会纺织组17棉织物高效活化氧漂前处理关键技术及产业化中国纺织工业联合会纺织组18低碳含氟制冷剂高效制造技术及产业化应用浙江省化工组19柴油质量升级关键材料制备及应用江西省化工组20百万吨级甲醇制烯烃成套技术设计与优化河南省化工组21生物基法尼烯合成维生素e的关键技术及产业化湖北省化工组22热法磷加工热能与黄磷尾气资源化利用关键技术及其产业化云南省化工组23高效高稳定机动车尾气净化催化剂研发与应用教育部化工组24高可靠长寿命锂离子电池关键技术及产业化应用工业和信息化部化工组25低阶煤分质清洁高效利用关键技术及应用中国煤炭工业协会化工组26基于界面调控机理的固/液体系分散稳定技术及应用中国石油和化学工业联合会化工组27催化裂化汽油超深度加氢脱硫-烯烃分段调控转化成套技术中国石油和化学工业联合会化工组28高纯/超高纯化学品精馏关键技术与工业应用中国石油和化学工业联合会化工组29膜极距复极式离子膜电解技术及产业化应用中国石油和化学工业联合会化工组30400万吨/年煤间接液化成套技术创新开发及产业化中国石油和化学工业联合会化工组31精对苯二甲酸生产中节能降耗关键技术开发及应用中国石油和化学工业联合会化工组32超高镁锂比盐湖卤水吸附—膜分离耦合提锂技术的开发及产业化中国石油和化学工业联合会化工组33橡胶制品特种挤出成型关键技术及产业化应用中国石油和化学工业联合会化工组34安全高效杀菌剂噻唑锌的创制开发与应用中国石油和化学工业联合会化工组35面向石化产业深度脱硫净化的超重力分离新技术及工业应用中国石油和化学工业联合会化工组36复杂原料百万吨级乙烯成套技术研发及工业应用中国石油化工集团有限公司化工组37同步破解乙烯原料增产和柴油过剩难题的加氢裂化关键技术开发中国石油化工集团有限公司化工组38驱油用石油磺酸盐研制、生产及规模化应用中国石油天然气集团有限公司化工组39过程工业旋流强化换热设备技术及工程应用中国机械工业集团有限公司化工组40典型危险化工过程安全关键技术及应用中国科协化工组41低温低水比乙苯脱氢催化剂及节能苯乙烯成套技术中国科协化工组42amoled用高性能、长寿命有机发光材料的关键技术创新与应用中国发明协会化工组43gaas、gan基化合物半导体材料及其器件关键技术与应用专家提名(杨德仁,范守善,姜德生)非金属材料组44功能化聚氨酯材料制备及其在医疗器械中的应用专家提名(瞿金平,陈学思,马於光)非金属材料组45光电器件用铌酸锂晶体产品化关键技术及电光调q应用天津市非金属材料组46聚阴离子型正极材料多重改性与产品制备关键技术开发及锂电池应用河北省非金属材料组47高品质机制砂石与绿色高性能混凝土成套制备技术及应用河北省非金属材料组48汽车用超高韧性高强度聚丙烯制造关键技术及产业化上海市非金属材料组49轻稀土基烟气脱硝催化材料技术及应用江苏省非金属材料组50铝型材厂污泥和铅锌尾矿高值化利用福建省非金属材料组51诱导形核高性能低成本铸造多晶硅生长技术及其产业化江西省非金属材料组52耐火材料结构功能化和长寿化设计与制备及在钢铁绿色制造中的应用河南省非金属材料组53复杂服役环境下耐火材料低导热化关键技术与工业应用湖北省非金属材料组54高导热油基中间相沥青碳纤维关键制备技术与成套装备及应用湖南省非金属材料组55单晶硅拉制炉用热场部件关键技术及应用湖南省非金属材料组5648对棒大型加压还原炉研发及规模化应用技术青海省非金属材料组57系列海洋功能防腐涂层材料研制及在海洋工程与装备中的应用青岛市非金属材料组58大型六面顶超高压合成装备、关键技术及系列超硬材料开发教育部非金属材料组59基于聚烯烃结晶形态调控制备高性能锂离子电池隔膜教育部非金属材料组60三高三低绿色混凝土的研发与应用技术住房和城乡建设部非金属材料组61高性能热熔型聚烯烃粘接材料关键制备技术及产业化中国石油和化学工业联合会非金属材料组62led封装用高性能高分子材料合成与加工应用产业化成套技术中国石油和化学工业联合会非金属材料组63面向高频微波通信的聚合物基透波与防护材料关键技术及应用中国石油和化学工业联合会非金属材料组64深水大断面盾构隧道结构/功能材料制备与工程应用成套技术中国建筑材料联合会非金属材料组65微生物矿化菌种制备和调控技术及在环境治理与建设工程中的应用中国建筑材料联合会非金属材料组66水泥利废生态设计与流程多维调控中国建筑材料联合会非金属材料组67水泥生产智能化关键技术及集成应用中国建筑材料联合会非金属材料组68基于分子结构设计与调控技术的高性能聚烯烃新产品开发中国石油化工集团有限公司非金属材料组69长寿命低贵金属稀土汽车催化剂关键技术与应用专家提名(干勇,屠海令,谭旭光)金属材料组70高硬耐磨耐蚀涂层技术及应用专家提名(李贺军,张平祥,赵中伟)金属材料组71超薄高宽厚比高品质冷轧板带高效生产及超薄镀层关键技术开发河北省金属材料组72桥梁结构用高性能钢关键技术突破及国内外重大工程创新应用辽宁省金属材料组73高纯稀有金属铪提纯技术及铪锆的应用黑龙江省金属材料组74高性能特种金属线材制品关键技术集成创新与产业化江苏省金属材料组75高比能电池用金属锂及锂基新材料成套制备技术与产业化江西省金属材料组76稀土绿色低成本分离与高丰度稀土高值化平衡利用关键技术及产业化江西省金属材料组77全流程多尺度三维物理参量控制的高品质材料制造关键技术及应用湖北省金属材料组78复杂共伴生钨资源碱性萃取高效绿色提取新技术及应用湖南省金属材料组79轨道交通车辆主体承载大部件激光-电弧复合焊接技术四川省金属材料组80新能源汽车动力电池用锰系正极材料制备新技术产业化贵州省金属材料组81大型高质量铝合金铸件控压成型关键技术及应用陕西省金属材料组82钢材热轧过程氧化行为控制技术开发及应用中国钢铁工业协会金属材料组83连铸凝固末端重压下技术开发与应用中国钢铁工业协会金属材料组84高品质模具钢关键技术开发及产业化中国钢铁工业协会金属材料组85特高压高能效输变电装备用超低损耗取向硅钢开发与应用中国钢铁工业协会金属材料组86超大型高炉高风温高效清洁关键技术与装备研究及应用中国钢铁工业协会金属材料组87宽幅超薄不锈精密带钢关键工艺技术及系列产品开发中国钢铁工业协会金属材料组88超纯净高稳定性轴承钢关键技术创新与智能平台建设中国钢铁工业协会金属材料组89锌富氧冶炼与提质增效关键技术系统集成及产业化中国有色金属工业协会金属材料组90多形态钴资源高效绿色制造锂电材料关键技术及产业示范中国有色金属工业协会金属材料组91新一代绿色高效提炼贵金属技术及应用中国有色金属工业协会金属材料组92新型稳流保温铝电解槽节能技术开发及推广应用中国有色金属工业协会金属材料组93新型高强韧低淬火敏感性铝合金材料及其产业化中国有色金属工业协会金属材料组94高纯稀土金属及靶材制备关键技术、装备与产业化中国有色金属工业协会金属材料组95大截面铜材高效节能连续挤压技术和装备中国有色金属工业协会金属材料组96具有桩钉效应铁基复合材料强韧化技术及产业化中国有色金属工业协会金属材料组97高硅铝合金电子封装材料与组件制备关键技术及应用中国有色金属工业协会金属材料组98x70hd/x80hd大应变管线钢管及应用关键技术中国石油天然气集团有限公司金属材料组99高纯多晶硅高效沉积及物料综合回收关键技术中国冶金科工集团有限公司金属材料组100高性能工程复合材料关键部件优质高效成形 技术及装备教育部机械组101高密度高可靠电子封装关键技术及成套工艺工业和信息化部机械组102高密度全彩led显示屏幕关键技术研发及产业化北京市电子与科学仪器组103硅基碲镉汞红外大规模焦平面探测器芯片关键技术及其空间应用上海市电子与科学仪器组104脆性材料复杂异形超快激光精密加工关键技术及产业化深圳市电子与科学仪器组105高性能硅基纳米结构太阳电池的关键技术及应用中国科学院电子与科学仪器组106聚乙二醇定点修饰重组蛋白药物关键技术体系建立及产业化专家提名(王军志,于金明,马丁)药物与生物医学工程组107层状复合氢氧化物磁靶向-缓释给药系统宁夏回族自治区药物与生物医学工程组108疾病相关氧化应激响应的原位自组装智能探针精准诊疗新技术及应用教育部药物与生物医学工程组

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