小型化高稳定度光频原子钟是一项结合小体积和高稳定度优点的时频计量科学仪器设备，性能指标超越传统微波原子钟，基于创新性的研究方案，克服了光晶格钟和离子光钟普遍存在的体积庞大、系统复杂的问题，具有巨大的应用前景和产业化能力。该项目已实现基于钙、铷、铯不同原子体系的小型化高稳定度光频原子钟。在钙原子方面，创新性提出热原子能级转移探测方案被国际著名研究单位广泛引用效仿。在铷、铯原子方面，通过与国内科研机构的项目合作，实现了研究成果处于国际先进水平的小型化高稳定度光频原子钟。

本技术提出了基于多尺度理论模拟结合深度机器学习的一整套解决方案，即利用先进多尺度模拟方法精准解析SEI原子结构，建立新一代SEI模型，阐明SEI结构和形成机制，完整构建SEI与电池性能之间的内在联系，定向设计符合不同商用条件的新型电解液配方，为开发新一代高能量密度电池提供可能。 一、项目分类 显著效益成果转化 二、技术分析 随着智能手机、笔记本电脑等消费电子产品的快速发展，锂离子电池（Lithium Ion Battery, 简写为LIB）已经成为最成功的电化学储能设备之一，并从根本上影响并改变了人们的日常生活方式。随着制造工艺的逐步成熟，LIB的能量密度已经接近其理论极限。另一方面，可移动电子设备的快速普及和汽车电动化的蓬勃发展也不断要求开发具有更高能量密度的充电电池以满足实际使用的需求，而最先进的LIB依然无法完全满足上述需求。因此，寻找更高能量比的锂电池电极材料，加快下一代新型锂电池关键技术的相关研究，已成为制约锂电池技术产业发展进步的关键问题。锂金属电池的能量密度虽足以达到下一代电动车的要求，但其自身的稳定性仍令人担忧，这主要是因为Li金属的反应活性过高，其几乎可与所有的电解液均能自发地发生化学反应。在电池的运行过程中，Li电极和电解液之间通过自发化学反应和电化学反应导致了固体电解质界面（solid electrolyte interphase，SEI）的形成。当所形成的SEI结构不均匀时会诱发电池体积膨胀，此外，充放电过程中锂的不均匀沉积会导致锂枝晶的形成，锂枝晶的不规则生长会刺穿SEI，导致SEI膜发生破裂，并产生死锂，降低锂金属电池库伦效率；更严重的是，锂枝晶的不断生长会刺穿隔膜，造成电池内部的短路，导致火灾和爆炸等安全事故，大大缩短了电池的使用寿命，严重阻碍了其大规模商业化发展。因此，SEI对LMB的性能具有至关重要的影响。良好且稳定的SEI可以阻止（或者大幅度减缓）负极界面上反应的持续发生，起到保护Li电极的作用。针对下一代高稳定性锂金属电池设计中存在的关键问题，结合国际研究进展与本团队前期研究基础，我们提出了基于多尺度理论模拟结合深度机器学习的一整套解决方案，即利用先进多尺度模拟方法精准解析SEI原子结构，建立新一代SEI模型，阐明SEI结构和形成机制，完整构建SEI与电池性能之间的内在联系，定向设计符合不同商用条件的新型电解液配方，为开发新一代高能量密度电池提供可能。本方案已形成完整的工作流，相关自动化软件已开发完成并交付使用，且具有完全的自主知识产权，可用于国内外上游电池生产研发企业积累原始电池性能数据，大范围筛选有效电解液组分，指导下一代高能量密度锂电池研制。 我们的技术优势与创新主要表现在： 1）首次在电池体系中实现了QM与MM的混合模拟与混合加速； 2）在电池体系模拟中实现了开放电子体系对电化学反应的热力学和动力学预测； 3）在保证精度的前提下，实现了在纳米尺度上对真实的实验SEI结构直接模拟； 4）通过耦合深度机器学习，实现了电解液组分大范围筛选与性能优化。

研究人员创造性地运用了可积模型以及低维量子场论的研究手段，通过严格的计算，分析了由一维接触相互作用玻色气体实现的量子热机循环，得到了热机效率、功率等主要参数的解析表达式。作者针对冷原子物理实验的特点，提出了通过调控原子之间相互作用强度实现量子热机循环的构想，理论上证实了相互作用调控可实现和原先人们熟知的磁热、压热效应类似的一种全新的量子热效应。基于

太赫兹（THz）科学技术既是重大的基础科学问题，也是国家的重大需求。然而，作为一段全新的的电磁波谱，实现THz波传输与控制的相关器件极为匮乏，大大限制了THz科学技术的发展及应用。本项目提出了THz波物质探测、低损传输、高速控制的新理论和新技术，研制出多种实用化THz功能器件。本项目的主要成果包括：(1) 提出了THz波吸收的理论模型，研制出吸收率达到85%以上的窄带、多带和宽带太赫兹吸收材料，解决了传统电磁波吸收材料无法有效工作于THz频段的技术难题；(2)提出“人工电磁结构”与“电子功能材料”相结合构建可调谐太赫兹功能器件的思想，研制出开关速率达到0.1ms的太赫兹开关、调制速率达到10Mbps的太赫兹波调制器，带内透射达到80%的太赫兹带通滤波器，以及高效太赫兹功率衰减器；（3）基于高阻Si的深能级掺杂技术和石墨烯二维晶体材料，研制出宽带太赫兹波空间调制器，开关速率达到5MHz，空间调制面积达到3英寸，为提高太赫兹成像速率和分辨率奠定了基础；(4)提出极化约束实现太赫兹波导低损耗传输的新概念。基于“聚合物空芯波导”与“周期性金属光栅结构”的集成，研制出一种双面光栅聚合物空芯波导实现了单模的传输,大幅度降低太赫兹传输损耗到0.68dB/m，达到了实用化的要求。 这一研究成果既加深了对THz波谱特性和基本物理现象的理解，也解决了THz传输、控制、波谱识别和应用成像的多个关键科学问题。本项目成果的实施，可望实现载波300GHz以上高速无线通信，为太赫兹波无线通信、雷达探测、医疗诊断以及以及波谱成像等应用系统提供了重要的技术支撑。在Appl. Phys. Lett., Sci. Rep., Opt. Lett., Optics Express, J. Opt. Soc. Am.等国际主流期刊上发表SCI 论文66 篇。申请国家发明专利22 项，已授权专利7 项，获得教育部自然科学一等奖1项。跟国内外综合比较，本项目的研究成果总体上处于国际先进水平，对推动太赫兹科学快速进入实际应用领域具有重要的科学意义。

本项目提出了THz波物质探测、低损传输、高速控制的新理论和新技术，研制出多种实用化THz功能器件。

随着集成电路工艺的进步，MOS管的特征尺寸越来越小，电路的工作电压也不断下降，栅氧化层的厚度也越来越薄，在这种趋势下，将可控硅ESD防护器件的触发电压降低到可观的电压值内，使用高性能的ESD防护器件来泄放静电电荷以保护栅极氧化层显得十分重要。本发明涉及可用于65nm半导体工艺的静电保护（ESD）器件，特别涉及低电压触发的SCR器件。    本发明提供一种采用新型技术减小器件的ESD触发电压的PMOS嵌入的低压触发用于ESD保护的SCR器件。本发明采用PMOS进行触发NMOS导通，NMOS的导通电流触发SCR晶闸管，从而减小SCR器件的ESD触发电压。ESD脉冲信号施加在Anode和Cathode之间，PMOS首先被触发导通，PMOS开通之后，触发NMOS导通，NMOS导通后，其导通电流触发晶闸管SCR导通。晶闸管电流（SCR current）导通大部分ESD 电流，从而实验了ESD保护。

本项目以制备超快高储能柔性器件为导向，建立基于界面纳米复合材料的新技术。通过水热法和电化学方法在柔性导电基底上构建纳米阵列/金掺杂二氧化锰的三维纳米复合电极，作为正极；通过水热法和热处理法在柔性导电基底上生长多孔氧化铁纳米复合材料，作为负极，组装全固态薄膜器件。利用纳米复合材料的多方面优势加速电子/离子在活性材料中的传递，进而达到超快高储能的目的。基于纳米复合材料的全固态薄膜器件可展现出超快充电能力（10 V/s），比常规电容器的充电时间快10-100倍。这是国际上基于金属氧化物赝电容薄膜型超级电容器研究领域的一个重大突破。此外，本项目以开发超快超柔储能器件为导向，开发了一种热力学诱导自发组装和原位掺杂结合碳热还原的方法来实现石墨烯纳米筛粉体和薄膜的宏观可控制备，解决了传统石墨烯材料纵向物质传输差的局限。通过控制碳热温度，可以调节石墨烯纳米筛表面的孔密度，即孔径大小可控（10~100 nm）。与传统石墨烯薄膜电极相比，石墨烯纳米筛表面丰富的孔结构使得其作为电极材料时拥有更大的比表面积，而且电解质离子可以在垂直于平面的轴向上传递，缩短了离子传输路径。

"以α-BaTeMo2O9为代表的含碲的化合物是一类新型光电功能晶体，在偏光、声光、拉曼等光学领域内具有重要的应用价值。此类化合物具有透光宽，双折射大，易生长，物理化学稳定等优点，是偏光和声光器件的优选材料。 山东大学在该系列晶体生长和器件的研究方面具有独立的知识产权，可以生长出大尺寸（≥50 x 50 x 100 mm3），高质量（光学均匀性≤10-5）的单晶；并在器件的制作中突破了国际上单轴晶体的限制，偏振棱镜消光比>30000:1，达到高质量冰洲石器件水平；声光调Q器件衍射效率>84%，高于同等条件下的TeO2器件。晶体生长处于世界领先水平，器件设计具有国际、国内专利，总体水平处于国际领先。该成果获得教育部自然科学二等奖，主要用于先进光学及其电学领域，如医疗、军事、激光加工、激光雷达、激光探测等。据统计，目前国内声光调制器件和偏光器件总产值约为2亿元。而现有的材料已经不能满足相应研究和产业的需求。作为新型光电功能晶体及其器件，在满足现有要求的基础上，填补了此类材料和器件在中红外波段内的国际空白。此外，独立的知识产权有利于产品推广，具有重要的社会和经济效益。 "

磷化铟基集成高速光开关芯片

传统的CCD、CMOS硅基成像器件都不能响应紫外波段的光信号，这是因为紫外波段的光波在多晶硅中穿透深度很小（<2nm）。但是近年来随着紫外探测技术的日趋发展，人们越来越需要对紫外波段进行更深的探测分析与认识。紫外探测技术是继激光探测技术和红外探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。几十年来，紫外探测技术已经逐渐应用于光谱分析、军事、空间天文、环境监测、工业生产、医用生物学等诸多领域，对现代科研、国防和人民生活都产生了深远的影响。特别是在先进光谱仪器方面，国内急迫需要响应波段拓展到紫外的硅基成像器件。硅基成像器件如CCD、CMOS是应用最广泛的光电探测器件。当前最先进的光谱仪器大都采用了CCD或CMOS作为探测器件，这是因为CCD、CMOS具有灵敏度强、噪声低、成像质量好等优点。但由于紫外波段的光波在多晶硅中穿透深度很小（<2nm），CCD、CMOS等在紫外波段响应都很弱。成像器件的这种紫外弱响应限制了其在先进光谱仪器及其他领域紫外波段探测的使用。 在技术发达国家,宽光谱响应范围、高分辨率、高灵敏度探测器CCD已经广泛应用于高档光谱仪器中。上世纪中叶美国Varian公司开发的Varian700 ICP-AES所使用的宽光谱CCD检测器分辨率达0.01nm,光波长在600nm和300nm时QE分别达到了84%和50%；美国热电公司开发的CAP600 系列ICP所用探测器光谱响应范围更是达到165～1000nm，在200nm时的分辨率达到0.005nm.法国Johinyvon的全谱直读ICP，其所用的CCD探测器像素分辨率达0.0035nm,紫外响应拓展到120nm的远紫外波段。德国斯派克分析仪器公司的全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪一维色散和22个CCD检测器设计，其光谱响应范围为120－800nm。德国耶拿JENA 连续光源原子吸收光谱仪contrAA采用高分辨率的中阶梯光栅和紫外高灵敏度的一维CCD探测器，分辨率达0.002nm,光谱响应范围为189—900 nm。总而言之，发达国家在宽光谱响应和高分辨率高灵敏度探测器件的研制领域已取得相当的成就。主要技术指标和创新点（1）  我们在国内首次提出紫外增强的硅基成像器件，并在不改变传统硅基成像探测器件的结构的基础上，利用镀膜的方法增强成像探测器件CCD、CMOS的紫外响应，使其光谱响应范围拓宽到190—1100nm，实现对190nm以上紫外光的探测。（2）  提高成像探测器的紫外波段灵敏度，达到0.1V/lex.s。（3）  增强成像探测器件的紫外响应的同时，尽量不削弱探测器件对可见波段的响应。（4）  选用适合的无机材料，克服有机材料使用寿命短的缺陷。 紫外探测技术已经逐渐应用于光谱分析、军事、空间天文、环境监测、工业生产、医用生物学等诸多领域，对现代科研、国防和人民生活都产生了深远的影响。特别是在先进光谱仪器方面，国内急迫需要响应波段拓展到紫外的硅基成像器件，该设计与传统CCD、CMOS结合，能满足宽光谱光谱仪器所需的紫外响应探测器的需要。能提高光谱仪器光谱响应范围，在科学实验和物质分析和检测中具有很广的市场前景。 该设计样品能取代传统CCD、CMOS，应用于大型宽光谱光谱仪器上，作为光谱仪的探测器件。将传统光谱仪器的光谱检测范围拓宽到190—1100nm. 实现紫外探测和紫外分析。具有较强的市场推广应用价值。