科研创新，成果满满

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近期，西安交大科研人员在废热能量回收研究、无铅压电薄膜、非晶硅材料、异质结掺杂有机光伏机理研究、量子物理等领域相继取得重要进展。

国家科技重大专项“航空航天制造领域高速高效数控机床创新能力平台建设”、“国产光栅部件在数控机床运动精度提升中的示范应用”课题与智能电网技术与装备”重点专项国家重点研发计划项目“能源互联网的规划、运行与交易基础理论”均通过了综合绩效评价。

同时，西安交大与深圳市博德维环境技术股份有限公司及东方电气集团东方汽轮机有限公司成立联合研发团队，开发先进储能系统。

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为交大科技硬实力打Call！

｜目录｜

1、西安交大科研人员在废热能量回收研究领域取得新进展

2、西安交大研究人员“变废为宝”实现无铅压电薄膜性能突破

3、西安交大研究人员发现非晶硅“拉强压弱”的反常行为

4、西安交大科研人员在异质结掺杂有机光伏机理研究中取得进展

5、西安交大科研团队在紫磷烯二维力学特性研究领域取得重要进展

6、西安交大科研人员在量子物理领域取得重要研究进展

7、“智能电网技术与装备”重点专项国家重点研发计划项目“能源互联网的规划、运行与交易基础理论”综合绩效评价会议举行

8、西安交大-博德维-东方汽轮机成立联合研发团队 开发先进储能系统

9、国家科技重大专项“航空航天制造领域高速高效数控机床创新能力平台建设”通过综合绩效评价

10、国家科技重大专项“国产光栅部件在数控机床运动精度提升中的示范应用”课题综合绩效评价通过

科研创新 成果满满

#01

西安交大科研人员

在废热能量回收研究领域取得新进展

发表期刊

Nano Energy

内容摘要

在能源危机的背景下，提高清洁能源在现有能源结构中的比重，特别是低品位能源的利用意义重大。目前，越来越多的学者开始研究自然环境中的能量回收，如将环境中的太阳能、机械能和热能等转换为所需的电能。在这些能源中，废热回收利用以其通用性、实用性和环境友好性等特点引起了人们的极大关注和兴趣，使用热释电发电机(PEG)来捕获环境热能具有重大意义。目前，大多数关于PEG的研究都需要特殊的辅助装置来实现冷热交替接触，以实现热释电效应。虽然专用辅助装置可以在能量回收过程中起到关键作用，但辅助装置的使用增加了PEG的复杂性并降低了通用性。此外，辅助设备还需要外接电源才能工作，大大降低了PEG的应用潜力。

近日，西安交通大学机械工程学院贾书海教授课题组提出了一种利用振动接触的高效热释电废热回收方案。它由PEG和平面螺旋弹簧巧妙连接，可以利用列车等在运行过程固有的振动来进行余热能量回收。该研究使用纳米复合材料制造了一种高效的PEG。该纳米复合材料含有多种纳米结构填料，包括钛酸锶钡(BST)纳米颗粒和氮化硼(BN)纳米片，具有优异的导热性和高极化率。

经过一系列实验，结果表明当温差为70K时，在5MΩ电阻负载下，最大输出电流密度可达1.7 μA/cm2，最大功率密度为6.47 μW/cm2，PEG产生的电能可以点亮15个LED。该研究中制造的PEG的性能，尤其是最大输出电流，对于热释电器件来说是一个很大的提升。此外，该研究提出了一种利用功率密度与热通量之间的关系来研究PEG的热电转换效率的评估方法，该方法可将PEG的研究标准化和规范化。所开发的释电发电机单元（PEG-unit）在实验中电容器（1000μF）电压在5分钟内达到6.35V，然后成功点亮直径为5mm的LED灯珠10秒钟。因此，该研究的PEG可以有效地将热能转换为电能，可以很好地利用外部振动实现余热回收，而无需辅助装置，该工作在余热回收领域具有很大的潜力和应用价值。

文章作者

论文第一作者为西安交通大学机械工程学院博士生康熙龙，西安交通大学机械工程学院是唯一作者单位，机械工程学院贾书海教授为通讯作者。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106245

#02

西安交大研究人员

“变废为宝”实现无铅压电薄膜性能突破

发表期刊

Nature Communications

内容摘要

无铅碱金属铌酸盐[KNNO或NaNbO3,NNO]因其优异的综合压电性能和环境友好等特性，有望替代有毒的铅基材料，被广泛应用在微电子机械系统(MEMS)的压电薄膜中。

提高KNNO基压电薄膜性能的传统策略是通过复杂的组分设计来实现相界调控：将KNNO的相变调到室温附近，使长程铁电畴变成短程有序纳米畴，利用相界处的相共存特征优化压电响应，所获得的最高的压电系数d33~250 pC/N。但是该传统策略需要严格控制其复杂的组分，很难适用于含有Na/K挥发严重的NNO和KNNO薄膜体系，也很难制备出高质量的单晶外延薄膜。

因此如何设计新的短程有序结构来获得高性能压电薄膜是无铅压电领域的核心挑战。

设计思路(A-C)、结构机理(D-G)和性能优化(H-J)

西安交大研究团队采用无掺杂的设计思路制备了高性能NNO/KNNO单晶外延压电薄膜，充分利用材料由于元素挥发产生的对性能不利的碱金属空位，诱导过量的铌原子占据碱金属空位形成反位缺陷，通过调控薄膜生长工艺，让无序的反位缺陷沿薄膜面外方向有序排布形成柱状纳米反相畴，该纳米级短程有序的柱状反相畴具有高密度的二维短程有序反相界面，如图A-C所示。研究团队利用球差校正扫描透射电镜(STEM)首次发现了这种全新的短程有序结构，并从反相界面处原子结构畸变/极化态的角度揭示其微观机理：带电的闭合反相畴界呈现头对头/尾对尾的极化态，提供强的局域退极化场，有利于电偶极子在短程有序的反相畴和长程有序的基体之间灵活地旋转，进而增强薄膜在外场下的压电响应，如图D-G所示。[Nat. Commun. (2021)]基于此，研究团队首先在NNO体系中制备了高质量的单晶外延薄膜，获得了巨大的压电系数约(d33 ~ 1100 pC/N)，是报道性能最高的无铅薄膜的四倍，是报道性能最高的铅基薄膜的两倍；因为未经任何掺杂，材料维持了高的居里温度(TC ~450 ℃)，保证了材料具有好的热稳定性，如图H-J所示。[Science (2020), Nat. Commun. (2021)]该无掺杂的设计思路很好地避免了传统的复杂组分设计带来的弊端，利用材料本征的点缺陷进行调控，在长程基体中自组装地形成短程有序结构，为高性能无铅压电薄膜的设计开辟了全新途径。

文章作者

论文第一作者和通讯作者为西安交大武海军教授，西安交通大学为该论文第一作者和通讯作者单位。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23107-x

#03

西安交大研究人员

发现非晶硅“拉强压弱”的反常行为

发表期刊

自然材料

Nature Materials

内容摘要

硬脆材料通常表现为“拉弱压强”。近日，西安交大研究人员发现非晶硅本征的抗拉强度其实可以远高于其抗压强度，即在缺陷极少时表现出“拉强压弱”的“反常”不对称性。上述研究有望为硅基材料在微机电系统、微纳尺度柔性电子器件等中的应用提供指导。

室温条件下，宏观尺度的硬脆材料往往表现出抗拉强度远低于抗压缩强度的特性，如图（1）所示，原因是在制备和加工过程中，这些材料内部及表面不可避免地会产生微孔洞、微裂纹等缺陷，而这些缺陷对拉应力尤其敏感，导致材料的抗拉能力低于抗压能力。因此，一个自然产生的问题就是当硬脆材料内部和表面没有上述缺陷时，这种拉压不对称性是否会消失或者呈现新的表现形式？

设计思路(A-图（1）块体硅材料的拉伸和压缩曲线；图（2）同一非晶硅“拉-压”微样品上先后进行拉伸和压缩测试；图（3）非晶硅在拉应力和压应力下的剪切模量随应变量的变化；图（4）非晶硅发生剪切塑性转变所需要克服的能垒，随拉-压应变发生很不相同的变化。C)、结构机理(D-G)和性能优化(H-J)

为了回答这一基础科学问题，西安交通大学研究人员选取非晶硅材料为研究载体，通过减小其尺寸来降低材料中存在缺陷的几率；为了排除样品差异性对实验结果造成的可能影响，利用非晶硅的断口特点，设计制备出了一种“拉-压”亚微米尺度样品：在同一样品上可先后进行定量拉伸和压缩实验，如图（2）所示。原位透射电子显微镜的定量力学测试表明，非晶硅在拉伸时的屈服强度远高于而不是低于压缩条件下的屈服强度，即“拉强压弱”而非“拉弱压强”。为揭示其内在原因，研究团队对非晶硅剪切变形过程进行了原子尺度模拟，发现垂直于剪切面的压应力会造成剪切面上剪切模量的降低，从而导致压缩下发生剪切转变（shear transformation）的能量门槛值降低，塑性变形更容易发生；但拉伸时则正好相反，剪切模量随垂直于剪切面的拉应力增加而增大，造成剪切变形更难以发生，因此可以一直保持弹性变形直至被拉到断裂（图3，图4）。

文章作者

此论文由西安交大微纳中心王悦存副教授（共同第一作者）和单智伟教授（共同通讯作者），与材料创新设计中心丁俊教授（共同第一作者）和马恩教授（共同通讯作者）合作完成。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01017-z

#04

西安交大科研人员

在异质结掺杂有机光伏机理研究中取得进展

发表期刊

先进功能材料

Advanced Functional Materials

内容摘要

有机太阳能电池的激子分离与电荷复合均发生在由电子给体和受体材料组成的异质结处，异质结电学性能的优化对提高光生电流和降低电压损失具有重要意义。

异质结掺杂的局域电场和熵调控机制

区别于当前常用的分子结构设计和微观形貌优化策略，研究人员将电子掺杂作为一种直接的电学性能调控手段应用在有机异质结处。研究发现，平面双层器件异质结处的分子掺杂可同时提升有机太阳能电池的三项基本参数（短路电流、开路电压和填充因子），其中短路电流的提升幅度更是可以达到20%以上。借助电荷转移态能级测定与能量损失细节分析，研究人员发现异质结掺杂能拉高电荷转移态的能级，同时抑制器件的非辐射能量损失，进而提升器件的开路电压。短路电流的大幅提升则源于界面处局域电场增强和电流活化能减少的双重作用。通过详细的器件物理表征，研究人员首次将光电流的活化能降低与异质结处的态密度熵建立起直接联系，并据此提出了一种基于态密度熵调控的激子分离效率提升策略。该策略有望在分子结构设计和微观形貌优化的基础上进一步提升有机太阳能电池的光电转化效率。

文章作者

西安交大博士生薛文悦为论文第一作者，闫晗特聘研究员、马伟教授和赵超助理教授为论文通讯作者，西安交通大学为论文唯一通讯单位。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202101892

#05

西安交大科研团队

在紫磷烯二维力学特性研究领域取得重要进展

发表期刊

材料化学杂志A

Journal of Materials Chemistry A

内容摘要

桁架的交叉结构由于强的抗变形能力已经广泛应用于各种承载结构设计中，如桥梁和屋顶设计等，而当我们把这种设计无限缩小到原子级别构成一个具有交叉结构的二维材料，其抗变形能力会是什么样呢？

近日，西安交大电气学院电力设备电气绝缘国家重点实验室新型储能与能量转换纳米材料研究中心张锦英教授课题组与航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室马利锋教授课题组合作，发现具有交叉结构的紫磷烯二维材料是至今报道的所有二维结构中抗变形能力最强的，具有最高的二维弹性模量，少层紫磷烯具有极高的二维杨氏模量，单层紫磷烯的二维杨氏模量为1512 N/m，其结果是石墨烯二维杨氏模量的4.4倍，远高于其他已经报道过的二维结构，这主要是因为紫磷烯二维交叉结构可以很好地分散施加载荷。

文章作者

西安交大新型储能与能量转换纳米材料研究中心博士生张博为第一作者，通讯作者为张锦英教授和马利锋教授。

论文链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TA/D1TA02595C#!divAbstract

#06

西安交大科研人员

在量子物理领域取得重要研究进展

发表期刊

物理评论快报

Physical Review Letters

内容摘要

混合量子系统结合了多种完全不同的物理体系，可以实现单个组件无法提供的新功能，是实现高品质量子器件的重要系统。量子声学微纳结构通过将声学模式压缩在微纳米尺度，从而允许在微纳米尺度上研究量子化声波与物质的相互作用。但是，和光与物质相互作用情况不同，声子没有偏振，无法天然实现自旋-声子的手性耦合，要实现声与物质的手性相互作用仍然是一个科学难题。

西安交通大学物理学院李蓬勃教授课题组与合作者通过开展金刚石SiV center电子自旋和光机械晶体耦合的全量子理论研究，发现并提出了一种全新的理论方案——利用声光晶体中能带可调谐的量子化声波和金刚石空位电子自旋态耦合，可以自由调节自旋-声子耦合的手征特性。通过外加具有空间相位分布的激光场，基于光-声耦合机制可以自由调节声波模式的能带结构和性质，从而可以产生一系列声与物质相互作用导致的奇异量子现象。由于光-声耦合，声子的能带就会受到激光空间相位的调制。在特定条件下，声子能带会呈现非对称结构，从而打破时间反演对称性。更为重要的是，声子带隙的闭合与否可以通过激光相位来调制。当SiV center的共振频率落在某一个能带上时，由于声子色散关系时间反演对称性破缺，此时自旋向左右两个方向发射声子的速率将不同，从而导致自旋与声子的手性耦合。

(a)一维声光晶体，其中镶嵌有SiV自旋阵列

(b)SiV色心自旋的物理结构

基于金刚石SiV center与光机械晶体强耦合体系构建的新型混合固态量子系统结合了SiV center丰富的自旋和轨道自由度与卓越的自旋和光学特性，以及人工微纳量子声学材料的能带结构丰富、可调制与易操控特性，具有潜在的应用价值和科学意义。该研究为实现强耦合条件下的自旋-声子混合量子系统奠定了基础，有望在基于固态电子自旋的手性量子器件以及量子探测等领域中获得重要应用。

文章作者

西安交通大学物理学院为该论文的第一完成单位，博士生董星亮为论文第一作者，李蓬勃教授为论文通讯作者。

论文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.203601

面向未来 交大力量

#07

“智能电网技术与装备”

重点专项国家重点研发计划项目

“能源互联网的规划、运行与交易基础理论”

综合绩效评价会议举行

6月11日，工信部产业发展促进中心在西安组织召开了“智能电网技术与装备”重点专项国家重点研发计划“能源互联网的规划、运行与交易基础理论”项目综合绩效评价会。

“能源互联网的规划、运行与交易基础理论”项目为国家首个面向能源互联网基础理论的重点研发计划项目。该项目由西安交通大学牵头，清华大学、东北大学、中国科学院数学与系统科学研究院、上海交通大学、香港大学深圳研究院、中国电力科学研究院、国家电网公司西北分部、江苏晟能科技有限公司等8家单位参与。项目聚焦能源互联网的基础理论，开展了系统建模与仿真、供需随机特性分析与匹配方法、协同规划、市场设计与机制分析、多能源系统的随机动态优化调度、资源分配与竞标、能源终端接入行为分析、供需转存协调优化与安全监控等研究。

中国电机工程学会主任刘建明、华北电力大学教授张建华、华中科技大学教授袁小明、杭州电子科技大学教授曾平良、国网冀北电力有限公司主任施贵荣、武汉大学教授董旭柱、浙江大学教授丁一组成的专家组听取了项目团队任务执行、成果成效、组织管理、用户应用等情况的汇报，审查了项目综合绩效评价资料，并进行了质询。专家组对项目执行情况、取得的成果以及在学科交叉融合机制的探索上给予了高度评价，并一致通过了项目的综合绩效评价工作。专家组希望项目组可以持续发挥研究团队的人才优势，为完善能源互联网理论体系作出更大贡献。

“智能电网技术与装备”重点专项围绕大规模可再生能源并网消纳、大电网柔性互联、多元用户供需互动用电、多能源互补的分布式供能与微网、智能电网基础支撑技术5个创新链(技术方向)部署23个重点研究任务，专项总体目标为持续推动智能电网技术创新、支撑能源结构清洁化转型和能源消费革命，从基础研究、重大共性关键技术研究到典型应用示范全链条布局，实现智能电网关键装备国产化，实现我国在智能电网技术领域处于国际引领地位。

#08

西安交大-博德维-东方汽轮机成立联合研发团队

开发先进储能系统

近日，西安交通大学作为新型二氧化碳储能系统技术研发主体，与深圳市博德维环境技术股份有限公司及东方电气集团东方汽轮机有限公司成立联合研发团队，开发先进储能系统动力设备，在系统关键技术及工程应用方面取得重要进展。

早在2013年，西安交通大学能源与动力工程学院谢永慧教授团队已开展二氧化碳热力系统及其核心设备关键技术的研发，并与多家国有大型企业及知名研究院所进行了深入合作。目前团队在二氧化碳热力系统集成、动力机械优化设计等方面取得了一系列研究成果，已获得授权发明专利21项。在“碳达峰”“碳中和”的大背景下，团队与深圳市博德维环境技术股份有限公司紧密合作，在新型二氧化碳储能系统的性能分析、动力设备设计、集成优化、经济评估等方面取得诸多进展，并联合成立了“西安交大-博德维先进储能系统动力设备研究中心”。

2021年3月，西安交通大学、深圳市博德维环境技术股份有限公司、东方电气集团东方汽轮机有限公司在中国西部科技创新港共同启动了“新型二氧化碳储能工程验证系统”。三方将在新型二氧化碳储能工程应用方面加强合作，促进“产学研用”深度融合，突破动力设备关键技术，努力保障知识产权自主可控，实现设计制造的全国产化。目前，10MW/20MWh储能系统前期准备工作已经完成，预计于2021年底试运行。

新型二氧化碳储能是一种气液互转、两态协同储能技术，不依赖地质条件，压力温度等级低，可靠性高且成本低。其基本原理是在用电低谷期，利用多余电力将常温常压的二氧化碳气体压缩为液体，并将压缩过程中产生的热能储存起来；在用电高峰期，利用存储的热能加热液态二氧化碳至气态，驱动透平发电。

#09

国家科技重大专项

“航空航天制造领域高速高效数控机床

创新能力平台建设”通过综合绩效评价

5月24日，国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”——“航空航天制造领域高速高效数控机床创新能力平台建设”综合绩效评价会议在西安召开。该课题由西安交通大学牵头承担，西北工业大学、西安航天发动机有限公司、秦川机床工具集团股份公司等9家单位参与。会议采用现场检查的方式进行。

经过现场评议，专家组组长汤立民研究员宣布课题技术、财务及档案全面顺利通过综合绩效评价。西安交大校长王树国代表学校向专家组表示感谢，要求各参研单位切实落实绩效评价各项意见和建议，完成好课题后续研究工作。

“航空航天制造领域高速高效数控机床创新能力平台建设”课题围绕国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”实现高档数控机床、工作母机、重大成套技术装备、关键材料和关键零部件的自主设计制造目标，着眼国家战略安全需求，集中国内行业研究的优势资源，强化产学研有机结合和支撑行业发展的长效运行机制，促进基础理论研究、设计方法研究、可靠性制造工艺、系统集成与用户使用的良性互动，在前期高速高效加工工艺及装备技术创新平台建设的基础上，加强国产高档数控机床和功能部件的性能提升，共同解决航空航天制造领域内的重大技术问题，从而重点突破专项中要解决的针对航空航天制造领域的高速高效数控机床的核心技术问题，提升技术辐射和为行业的服务能力。

#10

国家科技重大专项

“国产光栅部件

在数控机床运动精度提升中的示范应用”课题

综合绩效评价通过

5月25日，国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”课题“国产光栅部件在数控机床运动精度提升中的示范应用”综合绩效评价会议在西安交通大学召开。该课题由西安交通大学牵头承担，武汉华中数控股份有限公司、西安秦川数控系统工程有限公司、宝鸡忠诚机床有限公司、山东普鲁特机床有限公司参与。会议采用现场检查的方式进行。

经过现场评议，邵钦作宣布课题技术、财务及档案全面顺利通过综合绩效评价。西安交大党委常委、校长助理洪军代表学校向专家组表示了感谢，他要求课题单位要切实落实绩效评价各项建议，完成好课题后续研究工作。

“国产光栅部件在数控机床运动精度提升中的示范应用”课题是围绕国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”功能部件国产化目标开展研究工作，进行国产光栅部件量产关键技术研究，提高光栅量产制造工艺稳定性，完成系列数控机床用光栅部件制造，全面提升光栅部件测量可靠性。通过与国产数控系统机电匹配性研究，完善国产光栅与数控机床集成的关键工艺技术和配套能力。课题成果在国内多家数控机床企业得到示范应用推广，助推了国产数控机床产业集群产品升级、机床精度提升，为军工企业、信息产业以及国防安全自主可控提供保障。

编辑：葛格