本项目将提供一款高品质的非晶 ZnTiSnO 微型半导体气体传感器，为一种具有纳米材料特征的薄膜型气体传感器，用于可燃性气体（特别是乙醇）的检测。该半导体气体传感器具有下述优点：灵敏度高、选择性好、响应快、稳定性好、抗干扰性强、可室温工作、易于微型化、与微电子系统兼容，而且制作工艺简单、组装成本低、价格低廉。 （1）半导体气体传感器件的核心材料为气敏层，即非晶ZnTiSnO 薄膜，该材料质量如何直接决定了器件的性能。通过前期预研究，我们设计并合成了具有表面微纳结构的绒面 a-ZnTiSnO 薄膜，如何进一步优化工艺参数，更加提升 a-ZnTiSnO 薄膜高质量，实现精确可控生长，依然是本项目拟解决的关键技术。 （2）气体传感器的实用性在于器件参数的确立，因而，通过系统研究，建立非晶 ZnTiSnO 气体传感器各气敏性能与气体参数之间的定量关系曲线，特别是室温工作条件下的定量关系，是本项目拟解决的关键技术。 （3）为使气体传感器获得广泛应用，器件良好的稳定性至关重要。通过工艺优化、器件设计和封装保护等措施，实现非晶ZnTiSnO 气体传感器的高稳定性和抗干扰性，使器件具有长的使用寿命，也是本项目拟解决的关键技术。制备出高质量非晶 ZnTiSnO 薄膜，具有均匀且均一的表面微纳结构，绒度大于35%；薄膜与衬底附着力大于 21N。非晶 ZnTiSnO气体传感器性能指标：气敏层尺寸 10~300μm，易于集成化；对可燃性气体有高选择性，其中对乙醇的敏感度最高；室温工作条件下，对 100ppm 乙醇的响应度不低于 30；响应时间小于 1.8s，恢复时间小于 1.5s；稳定性好，有效使用寿命不低于3 年。 理论与实验相结合，揭示出 a-ZnTiSnO 气体传感器室温气敏性能和稳定性机理，建立理论模型，阐明器件的耐候性规律。研制出具有实用价值的高品质 a-ZnTiSnO 半导体气体传感器，建立一套非晶 ZnTiSnO 材料生长和器件制备的完整工艺，关键技术拥有自主知识产权。 应用范围：  纳米氧化铜产品广泛应用于各类抗菌、抗紫外线、空气净化产品中，如抗菌保鲜膜、抗菌塑料、抗菌纤维、抗菌整理液、抗菌陶瓷、抗菌地板、抗菌纺织品、防嗮化妆品、室内甲醛治理等产品中。 纳米CuO应用前景 催化剂：主要用于国防领域，作为复合固体推进剂的重要成分，用来调节推进剂燃耗性能。 传感器：纳米氧化铜对外界环境的温度，光，湿气等十分敏感，并且可以提高传感器的响应速度，灵敏度和选择性。 在超导，陶瓷，电极活性材料等领域作为一种重要的无机材料有广泛的应用。 用作玻璃，瓷器的着色剂，光学玻璃磨光剂，有机合成的催化剂，油类的脱硫剂，氢化剂。 用于制造人造宝石及其它铜氧化物，用于人造丝的制造，以及气体分析和测定有机化合物等。 用于饲料中，提高铜的表观消化率。 用于抗菌剂，纳米氧化铜具有清洁，高效，能耗低，污染小，被广泛用于医药，纺织等领域。 用于粒子助力制冷器节能，提高热传递效率。 降低冷冻机油的粘度。 提高烟气脱硝性能。 应用范围： 橡胶工业中硫化活性剂，石油化工行业催化及添加剂，是汽车轮胎、飞机轮胎、工业电缆行业材料以及氧化锌陶瓷； 涂料油漆、透明橡胶、乳胶和塑料行业用，可增加产品强度和致密性、粘合性、光洁度； 抗菌抑菌和除臭材料、医药卫生用杀菌材料、玻璃陶瓷杀菌自洁材料、医药行业杀菌敷料； 电子工业和仪表工业、制造电器件、无线电、无线荧光灯、图像记录仪、变阻仪、荧光体； 军事工业：红外吸收材料。   五、纳米氧化锌分散液 项目 Item 标准 Standard 氧化锌(W/%) ZnO 4% 外观 Exterior 乳白略显黄色易流动液体 Milky white slightly yellow liquid PH 7.2   分散液氧化锌含量可以根据需要在30%以下定制

项目成果/简介:1991 年发现的碳纳米管（CNT）以及 2004 年发现的石墨烯（graphene），分别是一维和二维纳米材料的典型代表，被认为是 21世纪的战略性材料。 本项目发明了一类新的催化剂和大量制备 SWNTs 的方法，实现了高质量单壁碳纳米管的宏量制备（图 1），纯度达 70%以上，并达到了产业化规模（达 200 公斤/年以上）。采用机械共混及"原位"聚合 等方法，使SWNTs 有效地分散于高分子基质中，获得了以环氧树脂、ABS 及聚氨酯等为基质材料，电导率达 0.2 S/cm、导电临界含量仅为0.06%、电磁屏蔽效果高达 49dB 的复合材料。 本项目首先发展了一种可大量制备的可溶性功能化石墨烯（SPFGraphene）的方法，实现了石墨烯的百克级制备（图 2）。通过透射电子显微镜（图 3）及原子力显微镜（图 4）确定了石墨烯的二维平面结构。 获得了可溶性石墨烯材料及柔性透明导电薄膜（图 5）；制备了基于石墨烯的高稳定性有机光伏电池及复合材料。 图 5、基于石墨烯的透明电极材料 所研制的单壁碳纳米管及石墨烯已用于数十家科研机构的研究和相关产品/样机的研制，包括应用于国家 863 重大汽车电池项目（中科院物理所）和军工卫星电池项目（中国电子科技集团公司第十八研究所）等。已研制出晶体管、锂离子电池、超级电容器（图 6）以及高性能复合材料等多种产品，具有广阔的应用前景。应用范围:南开大学在碳纳米材料的制备及应用研究方面取得了一批开创性成果，该项目技术的推广，将促进我国新材料、微电子、储能、资源保护等领域的技术进步和发展，为我国在这一新型纳米材料领域占据有利地位，提高国际竞争力，做出重要贡献。

1991 年发现的碳纳米管（CNT）以及 2004 年发现的石墨烯（graphene），分别是一维和二维纳米材料的典型代表，被认为是 21世纪的战略性材料。 本项目发明了一类新的催化剂和大量制备 SWNTs 的方法，实现了高质量单壁碳纳米管的宏量制备（图 1），纯度达 70%以上，并达到了产业化规模（达 200 公斤/年以上）。采用机械共混及"原位"聚合 等方法，使SWNTs 有效地分散于高分子基质中，获得了以环氧树脂、ABS 及聚氨酯等为基质材料，电导率达 0.2 S/cm、导电临界含量仅为0.06%、电磁屏蔽效果高达 49dB 的复合材料。 本项目首先发展了一种可大量制备的可溶性功能化石墨烯（SPFGraphene）的方法，实现了石墨烯的百克级制备（图 2）。通过透射电子显微镜（图 3）及原子力显微镜（图 4）确定了石墨烯的二维平面结构。 获得了可溶性石墨烯材料及柔性透明导电薄膜（图 5）；制备了基于石墨烯的高稳定性有机光伏电池及复合材料。 图 5、基于石墨烯的透明电极材料 所研制的单壁碳纳米管及石墨烯已用于数十家科研机构的研究和相关产品/样机的研制，包括应用于国家 863 重大汽车电池项目（中科院物理所）和军工卫星电池项目（中国电子科技集团公司第十八研究所）等。已研制出晶体管、锂离子电池、超级电容器（图 6）以及高性能复合材料等多种产品，具有广阔的应用前景。

1991 年发现的碳纳米管（CNT）以及 2004 年发现的石墨烯 （graphene），分别是一维和二维纳米材料的典型代表，被认为是 21 世纪的战略性材料。 本项目发明了一类新的催化剂和大量制备 SWNTs 的方法，实现 了高质量单壁碳纳米管的宏量制备（图 1），纯度达 70%以上，并达 到了产业化规模（达 200 公斤/年以上）。采用机械共混及"原位"聚合 等方法，使 SWNTs 有效地分散于高分子基质中，获得了以环氧树脂、 ABS 及聚氨酯等为基质材料，电导率达 0.2 S/cm、导电临界含量仅为 0.06%、电磁屏蔽效果高达 49dB 的复合材料。 本项目首先发展了一种可大量制备的可溶性功能化石墨烯 （SPFGraphene）的方法，实现了石墨烯的百克级制备（图 2）。通过 透射电子显微镜（图 3）及原子力显微镜（图 4）确定了石墨烯的二 维平面结构。

1991年发现的碳纳米管（CNT）以及2004年发现的石墨烯（graphene），分别是一维和二维纳米材料的典型代表，被认为是21世纪的战略性材料。 本项目发明了一类新的催化剂和大量制备SWNTs的方法，实现了高质量单壁碳纳米管的宏量制备（图1），纯度达70%以上，并达到了产业化规模（达200公斤/年以上）。 采用机械共混及"原位"聚合等方法，使SWNTs有效地分散于高分子基质中，获得了以环氧树脂、ABS及聚氨酯等为基质材料，电导率达0.2 S/cm、导

材料科学与工程学院在微纳米材料制备与应用技术研究方向上，以现有微纳米材料制备研究平台和有关研究课题为基础，在微纳米陶瓷、金属粉体制备及改性、纳米结构材料、大块金属纳米与非晶材料制备、高阻尼微纳米复合材料制备、纳米药物靶向材料研究等方面取得突破性的进展，实现了知识创新，形成了一系列专利技术。材料科学与工程学院院长许仲梓教授和赵石林教授主持承担的江苏省科技厅项目——“纳米透明功能涂料的研制与开发”，在我省的科技成果推广应用成效显著。该项目以半导体纳米材料为功能填料，制备出的涂料价格适中、性能优良。可将涂料在自动化生产线上涂覆于玻璃的表面，一次性制成纳米隔热玻璃，用于汽车、各类建筑物上，不仅具有良好的透明性（可见光区透过率>80%），而且能有效的隔绝太阳热辐射(近红外区屏蔽率>63%)，具有很好的节能效果，同时涂料本身是一种环境友好的水性涂料。该项目填补了国内空白，其技术指标达到国际先进水平。常洲晨光涂料有限公司投资1000万元建设一条年产100吨纳米透明功能涂料的生产线及实验检测中心，实现了工业化生产，并得到了市场的认可。目前课题组正研发系列产品，以满足环保和节能的社会需求。由郭露村教授主持的江苏省高技术研究重大项目研制的纳米陶瓷弹簧，是以纳米改性PSZ粉料为原料，利用复合成型技术制备而成。陶瓷弹簧具有重量轻、耐磨损、抗老化、耐高温、电绝缘、无磁性等特点。主要技术指标：簧丝直径:2.2±0.1 mm；弹簧外径:20.4±0.3 mm；自由高度:24±0.5 mm；间距:1.7±0.1 mm；工作圈数:6；弹簧刚度:10±2 N/mm；最大荷重:50 N；重量:8.8±0.5 g。主要应用于无法使用金属弹簧的高温、腐蚀性环境中，用作缓和冲击、吸收振动以及控制机构运动的零件。水泥材料节能减排关键技术材料科学与工程学院是国内水泥科学研究领域的领头单位，以唐明述院士领衔、许仲梓教授、沈晓冬教授为领军人物的学术团队，在混凝土耐久性研究、高性能水泥制备基础研究、水泥绿色制造、建筑节能材料、资源综合利用等领域取得了一系列重大的科研成果。唐明述院士历经五十年潜心开展的“混凝土碱－集料反应耐久性研究”，在反应机理、集料碱活性快速试验法（被确定为国际标准）、反应防治方法及工程建设应用等到方面取得了被国际同行评价为具有里程碑意义的成果。多年来，研究成果为我国三峡工程、长江二桥、金沙江的向家坝、雅砻江上世界最高的大坝（305 m）锦屏一级电站等数十个国家重大基建工程项目提供技术支撑。先后获得国家自然科学二等奖、国家教委科技成果一等奖等多项部级以上奖励。2001-2006年由许仲梓教授担任首席科学家的国家“973”项目—“高性能水泥制备和应用的基础研究”，其关键技术使传统水泥性能提高30%、产量提高30%、环境负荷降低30%，作为一种国民经济中使用量最大的基础材料，这项成果蕴含的经济和社会效益巨大，研究成果达世界领先水平。该成果在我省的中联淮海水泥有限公司等大型水泥生产企业中得到推广应用，经济效益显著。2008年，由沈晓冬教授担任首席科学家的国家“973项目”——“水泥低能耗制备和高效应用的基础研究”，针对国家重大需求，紧紧围绕提高水泥性能、重点关注水泥生产节能减排的社会热点问题等开展基础科学研究。

现阶段所设计的存算一体器件单元结构如图 1 所示： 器件的基本结构由波导和功能层（由下到上分为加热层、电极层、保护层、相变材料（硫系化合物）层）所构成。拟通过在当前流行的绝缘层上硅(SOI)光子平台上集成四氮化三硅光波导的方式实现器件的光学读取功能，即在非常厚的硅衬底层上生长一层绝缘层二氧化硅和波导层，然后在基片上通过光刻、显影、刻蚀等工艺制备四氮化三硅波导。功能层主要用于实现器件的电学写入功能。加热器层的主要用途是与相变材料层形成电接触，通过较小的接触面积使接触处的热量集中，从而可以在较小的电压或电流下使相变材料发生相变。因此需要加热器层具备较好的导热和导电性能，同时在近 C 波段具有较低的光损耗，可采用石墨烯。电极层可用于提供相变材料器件单元所需要的编程电脉冲。当前拟采用硒掺杂的相变材料合金（如 GSST）作为器件的核心功能层的相变材料。该材料在通信/非通信波段显示了极低的光损耗和更高的品质因数，且相变前后在通信 C 波段具有足够大的光学常数反差，可在更恶劣的高温环境下进行操作，适用于硅基光子器件应用。 采用的主要技术手段包括： ① 依托于相变材料的电致和光致相变特性，通过电学编程、光学读取的方法实现器件的存储、算术运算和逻辑运算功能：  存储功能的实现：拟利用相变材料晶态低透过率和非晶态高透过率分别代表二进制中的‘1’和‘0’，实现数据存储（编程）功能。例如在电极两端施加合适的电脉冲，所产生电流流经加热层时，生成的热量主要集中在加热层和相变材料层接触处，使得接触处的相变材料发生相变，实现存储功能。在完成上述编程操作后，从器件波导输入端输入读取连续光。由于相变材料功能层对光强的吸收能力在编程和非编程区域间存在着显著的差异，因此当输入光经过波导后，其能量会因为相变材料编程区域的吸收而发生改变，进而显著改变输出光强能量。所以通过测量输入输出光强的能量之比（即透过率），可实现对先前编程区域的读取。  算术和逻辑功能的实现：通过调整编程电脉冲的幅度和宽度可以动态调控相变材料的相变程度，使得器件的中间透过率值可用于代表不同的数值，实现多级存储功能。所以拟采用输入脉冲数量对应加数的方法实现标量加法计算。同时由于所设计器件的读取连续光输出功率可视为读取连续光输入功率和器件透过率的乘积，因此可采用将输入功率和透过率作为被乘数和乘数的方法实现基本乘法运算。除此之外还可以将器件功能层的初始状态设置为非晶相，把晶化脉冲幅值和不足以产生晶化的脉冲幅值分别作为输入逻辑‘1’和‘0’；同时设定一个判定阈值并与编程后器件透过率的变化率进行对比，把高于和低于阈值的透过率变化率分别作为输出逻辑 ‘1’和‘0’；通过合理选择编程脉冲有望实现各种逻辑功能输出。 ② 基于器件透射率可调特性验证其实现神经突触的可行性。并依托所设计人工突触构建人工神经网络芯片，实现图像、语音和文本识别功能：  突触可塑性是大脑记忆和学习的神经生物学基础，也是人工类脑器件需要实现的首要功能。为实现突触可塑性，拟把相变材料和波导之间的耦合区域视为仿生神经突触，左右两端电极分别代表突触前和突触后，分别施加在两端电极上的电脉冲则作为突触前和突触后刺激。通过调节从左右两端电极输入耦合区域的电脉冲时间差对耦合区域的光透过率进行连续调控，进而依托于上述存算理论模型和实物器件仿真和实验实现仿生神经突触的脉冲时序依赖可塑性（Spike-Timing-Dependent-Plasticity, STDP)。  将不同波长的光脉冲序列输入所设计的突触单元, 经过相变材料的作用，脉冲强度发生变化，对应于乘法器。进而借助于微环结构，将不同波长的脉冲导入进同一波导中，该功能类似加法器。相加后的脉冲光强较小时，读取光与微环发生共振，在输出端口没有光强输出。当光强达到一定的阈值后，读取信号不再和微环发生共振，而是传播到输出端口。这一过程类似神经元脉冲信号的激发，实现了非线性激活函数的功能。利用上述的单个神经元结构，验证其监督式机器学习和非监督式机器学习。对于监督式机器学习，权重的数值通过外部管理器设置；对于非监督式机器学习，不再需要外部管理器来设置权重值，而是通过输出光脉冲进行反馈控制，调整权重值。在单个神经元结构的基础上，更复杂的光学脉冲神经网络结构，证明该结构的可扩展性。拟设计的神经网络中的每一层结构包括三个功能单元，即收集器、分发器和神经突触结构。收集器将上一层不同波长的光脉冲信号收集到同一根波导中，分发器将光脉冲分发给多个神经元，神经突触结构则产生光脉冲信号，输入给下一层结构。基于上述结构实现图片、语音和文本的识别。 创新性分析：①首次研究了一款基于“电学编程、光学读取”模式的光电混合存算一体化器件。与传统电学存算一体化器件相比,拟研发的器件可以进行长距离的信息传输，具有传输带宽高、信号间延迟低、损耗低、抗干扰、集成密度高等优点。②采用硒(Se)掺杂的相变材料作为存算一体化器件的核心功能材料。与采用其他相变材料的存算一体器件相比，以硒参杂的相变材料作为功能材料的存算一体器件有望展现出极低的光损耗。③提出了一种基于“电学脉冲刺激、光学权重调节”的人工神经突触。该突触器件有望成为未来通用型人工神经突触，填补了光电混合型人工突触的技术空白。 先进性分析：①所提出的光电混合工作模式使得该存算一体化器件不但具有传统集成电路的高密度特性，且兼具光通信技术的宽频带、低延迟、抗干扰的优越性能。②所采用硒参杂的相变材料不但继承了传统材料具有的快速相变转化速度、低功耗和稳定性强等特性，且本身在通信波段非晶态透明的同时还保持了相变前后足够大的光学性能差异的特点。③所设计的突触继承了人工电子突触和全光突触的优点，具有高集成度、低功耗、超快响应时间、稳定性强等优点。 独占性分析：根据已取得成果正在撰写专利，以获得该关键技术的独有权。 

本项目研发“微米芯片光源”、“纳米吸附催化”、“电芬顿”技术高效集成的水污染物深度净化装置。该项目立足先进技术集成，与现有污水处理工艺兼容，实现传统环保设备的升级和设施的提标改造，围绕我省钱塘江流域年创收可达数亿元；相关技术转让费用千万元以上。项目已获得的成果有授权发明专利 2项，实用新型专利 2 项，已制备了一套难降解有机废水光催化反应装置。为满足高污染污水处理厂较大日处理能力的需求，在浙江恒成实业有限公司将技术与设备进一步组合和放大，为实现实际水处理工程建设奠定基础。同时提升重点水域污染控治水平，满足水环境质量和饮水安全要求，实现污染物减排、促进经济发展模式优化和社会经济可持续发展。

全固态薄膜电池具有非常诱人的应用前景，可作为各种小型化长寿命 军用电源，在智能卡，传感器，微电子与微机械系统等方面与之匹配 的微电源。为将来的信息化，电子化，智能化和武器先进化提供新型 高效可靠的电源。 例如:结合射频识别(RFID)技术，组成配有薄 膜电源的射频卡，能够对军队的武器弹药进行 RFID 标签，从而提高 军用物资的有效管理。 美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的喷气推进实验室，将全固态 薄膜锂离子电池与太阳能电池相结合，利用微机械系统，研制在微型 卫星上需要的高度

微纳米光纤，具有一系列独特的优点：大的消逝场；高的非线性，极低的损耗；容易弯曲成环等不同的几何形状。我校在本应用领域主要研究选择合适的光纤材料和介质棒材料，探讨微纳光纤在生物、通信、传感和激光等领域的应用：优化微纳光纤探针的设计，制备低成本的超短的极低损耗的微纳光纤探针用于低功率粒子捕获；制备基于单环谐振器的传感器；制备基于多环谐振器的应用型器件如高灵敏度微传感器或者可调谐器件等，探讨其它新型的应用。理论上主要研究微纳光纤谐振器的线性和非线性特性，对