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本項目以制備超快高儲能柔性器件為導向，建立基于界面納米復合材料的新技術。通過水熱法和電化學方法在柔性導電基底上構建納米陣列/金摻雜二氧化錳的三維納米復合電極，作為正極；通過水熱法和熱處理法在柔性導電基底上生長多孔氧化鐵納米復合材料，作為負極，組裝全固態薄膜器件。利用納米復合材料的多方面優勢加速電子/離子在活性材料中的傳遞，進而達到超快高儲能的目的。基于納米復合材料的全固態薄膜器件可展現出超快充電能力（10 V/s），比常規電容器的充電時間快10-100倍。這是國際上基于金屬氧化物贗電容薄膜型超級電容器研究領域的一個重大突破。此外，本項目以開發超快超柔儲能器件為導向，開發了一種熱力學誘導自發組裝和原位摻雜結合碳熱還原的方法來實現石墨烯納米篩粉體和薄膜的宏觀可控制備，解決了傳統石墨烯材料縱向物質傳輸差的局限。通過控制碳熱溫度，可以調節石墨烯納米篩表面的孔密度，即孔徑大小可控（10~100 nm）。與傳統石墨烯薄膜電極相比，石墨烯納米篩表面豐富的孔結構使得其作為電極材料時擁有更大的比表面積，而且電解質離子可以在垂直于平面的軸向上傳遞，縮短了離子傳輸路徑。

利于層狀納米材料比表面積大的特點，在碳基柔性襯底上制備了高性能柔性 超級電容器，及葡萄糖傳感器。超級電容器的能量密度最大為50.2Whkg-1,功 率密度為8002 W kg-1 at 17.6 Wh kg-1,充電1分鐘能點亮兩只綠色LED燈3 到5分鐘。性能處于國際先進水平，成果先后發表于JALC0M , 714(2017) 63-70； 763 (2018) 926-934 等。

傳統觸控傳感器使用IT0透明導電膜，IT0透明導電膜存在工藝復雜（中國 目前以從日本進口為主，國內尚不能高品質自主生產）、價格高昂（IT0核心材 料鋼為稀有金屬）、不能彎折等缺點，基于智能交互設備數量的急劇增加、交互 場景、方式需求增加等原因，觸控行業一直在積極尋找替代IT0的新型材料。 重慶大學能源與動力工程學院孫寬研究員團隊，通過多年在導電材料領域的深入 研究，使用有機聚合物作為基礎導電材料，在低溫環境下涂布制作出了柔性透明 導電膜。這種新型柔性導電膜不僅擁有與IT0同等的光電表現，比IT0成本更低,而且具備強柔性的優勢，可在觸控產業鏈里對IT0進行有效替代，為未來智能設 備創造更多的觸控形態和交互方式。

成果與項目的背景及主要用途：該技術采用數控氣動閉環控制回路、機械手 可以上下插拔，在 XYZ 三個方向有力觸覺，可以感受作用力，如果力大，機械手 可以自動緩沖或收回。機械手具有抓夾功能。該項技術已經成功應用到核工業元 件加工過程中。相同的技術和功能可以方便的應用和移植到其它應用領域。 技術原理與工藝流程簡介：利用數控氣動閉環控制回路。三維柔性力緩沖 XY 方向±1 ㎜，Z 方向 10 ㎜，Z 向下插行程 0～500 ㎜可調，可以安裝各種用途 機械爪，具有形成阻尼緩沖和氣動消音。 技術水平及專利與獲獎情況：處于國內同類型先進技術水平。 56天津大學科技成果選編 應用前景分析及效益預測：該類型機械手技術可以應用于很多領域，如：機 械制造業、汽車工業、化工業、核能工業、生物工業、安全領域等需要提高作業 效率、精度、危險環境等行業。 目前該技術成熟，整機價格在 10～16 萬人民幣之間，可以進行小批量工業 化生產。 應用領域：械制造業、汽車工業、化工業、核能工業、生物工業、安全領域 等需要提高作業效率、精度、危險環境等行業。 技術轉化條件（包括：原料、設備、廠房面積的要求及投資規模）： 所需原材料：均為市場上可采購原材料，無特殊要求，例如：氣動元件、機 械件等； 設備及環境要求： AC220V 電源、普通氣源； 所需廠房面積：普通廠房 100 平方米； 人員要求：若干機、電相關專業人員； 初期投資規模：除以上條件外需流動資金 60～80 萬。 合作方式及條件： 技術轉讓，轉讓費：人民幣 50 萬元； 合作生產，具體可面談。 

一種Si-Mn-O玻璃態物質中控制Si-Mn形核、生長的動力學方法，實現了毫米級長度的Mn5Si3 @SiO2柔性納米電纜（圖1）。單根納米線中，不論殼層厚度、還是電芯尺寸均表現出令人吃驚的均勻性（尺寸波動<4%），同時展現出極好的柔性與自支撐特性，不同彎曲程度下電阻幾乎沒有任何變化。統計電阻率數值為1.28 - 3.84×10-6 Ωm，最大耐受電流為1.22 - 3.54×107 A cm-2，分別為同等測試條件下同等尺寸銀納米線的10倍與1/3。這樣一根導線在300℃的溫度下，24小時的測試時間內，電阻率保持不變，證明其能夠長時間在高溫環境中正常工作。 在1 mol/L的HCl溶液中模擬強酸性環境，發現I-V特性幾乎和空氣環境中一致；在較長的一段時間內，原位監測導線在溶液中的電學特性變化，發現性能并無衰退。進一步，在溶液中外加矩形波電場，模擬復雜的外部干擾信號，導線僅由于電容效應發生十分微小的電阻變化。另外，同樣考察了其耐氧化特性，放在30%雙氧水溶液中20小時，電阻未發生明顯變化。上述實驗數據充分證明所設計的復合納米電纜能夠在高溫、酸性及強氧化性等極端環境下正常工作，同時能夠抵抗復雜的電場信號干擾。

硅芯片是當代信息技術的核心，當前正向“深度摩爾”（More Moore）和“超越摩爾”（More than Moore）兩個方向發展。物聯網（IoT）應用是“超越摩爾”技術路線中相當重要的一環，需要數量巨大的集成電路芯片來分析處理來自外部傳感器件的海量信號。目前，大多數傳感信號采集器件和信號處理單元均為分離設計，將在整體上產生更大功耗并占據更大的空間。由此，復旦大學材料科學系教授梅永豐課題組提出了將信號檢測和分析功能集成于同一個芯片器件中的全新概念。作為演示，研究團隊將單晶硅薄膜柔性光電晶體管與智能薄膜材料相結合和組裝，構造了對不同環境變量進行檢測和分析的柔性硅芯片傳感器及其系統。這一思路不僅具有優異的可擴展性，還可與當前集成電路先進制造工藝相兼容。5月2日，相關研究結果以《面向智能數字灰塵的硅納米薄膜光電晶體管多功能集成傳感器研究》（“Silicon Nanomembrane Phototransistor Flipped with Multifunctional Sensors towards Smart Digital Dust”）為題發表在《科學進展》（Science Advances）上。研究團隊從器件的傳感機理入手，利用柔性薄膜組裝集成芯片傳感器，實現了多種環境參數探測功能的集成。圖1：(A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附于曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區的光學顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統構造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測器件的電流變化，紅色為參比電流，藍色為檢測電流。智能材料在環境刺激中可以發生折射率、顏色、晶體結構等方面的光學性質變化，但一般需要光譜設備或比色卡才能進行比對。而翻轉的硅薄膜光電晶體管由于沒有柵極金屬阻擋功能區域的光信號吸收，可以更容易獲得高靈敏的傳感特性。利用這一點，研究團隊將多種智能薄膜材料貼合在器件功能區，智能材料內部物理性質變化引起了微小光學性能改變，從而表現在輸出的光電流上，因此可以在同一個芯片上實現對多種不同信號的同時檢測。圖1A展示了傳感器件典型的功能層結構，頂層的智能薄膜材料對環境刺激發生響應，進而改變下方硅單晶薄膜光電晶體管的輸出信號。具有2微米厚的熱氧化二氧化硅層則作為光電晶體管的封裝，對下方器件進行保護。硅薄膜光電晶體管完全由晶圓級先進集成電路工藝方法制備而成，結合了傳統硅基光電子器件的高性能和硅納米薄膜超薄厚度下的優良柔性。圖1B是貼附于半徑僅為2毫米直徑玻璃管上的柔性器件陣列，表現出良好的彎曲性能。圖1C是單個器件功能區域的特寫，在藍色虛框部分集成不同智能材料即可實現對不同環境信號的檢測。圖1D是具有完備傳感與數據處理功能的柔性系統合成圖，包括傳感與參比器件、邏輯與存儲單元、信號放大器和電源。研究團隊利用該系統實現了對環境中濕度的實時、快速檢測，演示的信號為依次減小的三個濕度脈沖。整個過程中直接對環境變化做出響應的信號，即參比器件與傳感器件輸出電流隨時間的變化如圖1E中所示。當環境發生變化（如圖所示通入氫氣），傳感器件的輸出電流大幅增加，而參比電流保持平穩，再利用差分電路處理，即可給出所檢測的環境參數的值。研究團隊開發了將智能材料與光電傳感結合的新穎傳感機制，并將傳感模塊與后續信號處理等模塊集成在一起，展示了其在氣體濃度、濕度、溫度等多種環境參數檢測方面的能力，已經初步具備了未來的“智能數字灰塵”的雛形。該策略也可以應用于其他的數字傳感系統，在后摩爾時代中將具有巨大的應用潛力。論文主要由李恭謹博士，博士研究生馬喆和尤淳瑜合作完成，并獲得韓國延世大學Taeyoon Lee教授和中科院微系統所狄增峰研究員的合作支持。該工作得到國家自然科學基金委、上海市科委、復旦大學和專用集成電路與系統國家重點實驗室等大力支持。

（ (A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附于曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區的光學顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統構造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測器件的電流變化，紅色為參比電流，藍色為檢測電流 ）