新突破！交大科研创新又有新成果→
聚焦前沿，攻关难题
科技创新，锐意进取
为实现高水平科技自立自强
贡献交大力量！
近期，西安交大科研团队在金刚石超宽禁带半导体材料、低碳合成生物制造、高维量子测量的不相容结构等领域的研究取得新进展。
科技力满满！
快跟着交小童一起了解⬇
内容导览
1
西安交大科研成果“2英寸单晶金刚石异质外延自支撑衬底实现国产化”入选2024年度中国第三代半导体技术十大进展
2
西安交大科研团队在低碳合成生物制造领域取得重要进展
3
西安交大科研人员在高维量子测量的不相容结构研究方面取得重要进展
西安交大科研成果“2英寸单晶金刚石异质外延自支撑衬底实现国产化”
入选2024年度中国第三代半导体技术十大进展
研究背景
金刚石作为一种“终极半导体材料”，在力、热、声、光、电等方面都具有十分优异的性能，如超宽禁带、高载流子迁移率、超高热导率、高击穿电场等，在高温、高效、超高频、超大功率半导体功率器件领域将发挥重要作用，从而成为新一代半导体芯片材料，会极大地推动5G/6G通信、微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域的快速发展。
金刚石的常见晶面取向有（100）、（110）和（111），其中（100）面金刚石由于其生长速率快、晶体缺陷低从而被广泛研究。此外，（111）面的金刚石掺杂效率更高、表面悬挂键密度更大，也展示出了氢终端金刚石电子器件的巨大潜力。同时由于金刚石具有超高的热导率（22 W/cm·K），可作为高质量GaN材料外延衬底，有效地改善基于GaN基高功率电子器件性能，解决高电子迁移率的自热效应，从而增强器件的输出功率、可靠性以及延长其寿命。
科研创新
西安交大王宏兴教授研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，历经10年潜心研发，独立自主开发了2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底，并成功实现批量化。
2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底照片
通过对成膜均匀性、温场、流场及工艺参数的有效调控，实现了衬底表面台阶流（step-flow）生长模式，提高了异质外延单晶金刚石成品率与晶体质量。XRD（004）、（311）摇摆曲线半峰宽分别小于91弧秒和111弧秒，这一创新成果标志着我国在金刚石超宽禁带半导体材料领域的研究已达到国际领先水平，为金刚石的半导体应用奠定了基础。该成果入选了2024年度中国第三代半导体十大进展。
2英寸单晶金刚石异质外延自支撑衬底实现国产化入选2024年度中国第三代半导体十大进展
近期，该团队首次在Ir（111）/蓝宝石异质衬底上实现了单晶金刚石（111）面的外延生长，并成功研制了尺寸为20×20×0.5 mm³（1英寸）的（111）取向异质外延单晶金刚石自支撑衬底。SEM、XRD、EBSD等材料特性表征证明金刚石（111）具有良好的晶体特征，材料质量达到世界领先水平，将为高质量GaN外延奠定良好的衬底基础，推动高功率密度金刚石基GaN基射频电子器件的发展。
单晶金刚石(111)面极图，证明薄膜具有良好的单晶特征
科研团队
西安交通大学宽禁带半导体材料与器件研究中心于2013年建立，实验室主任为王宏兴教授，经过近10年的发展，已形成具有自主知识产权的金刚石半导体外延设备研发、单晶/多晶衬底生长、电子器件研制等系列技术，已获授权48项专利，与国内相关大型通信公司、中国电科等科研院所开展了金刚石半导体材料与器件的广泛合作，促进了金刚石射频功率器件、电力电子器件、MEMS等器件的实用性发展。
王宏兴教授团队主页
http://gr.xjtu.edu.cn/web/hxwangcn
扫描二维码，查看团队主页
西安交大费强团队
在低碳合成生物制造领域取得重要进展
研究背景
在全球共同应对气候变化的大背景下，发展温室气体（CO₂、甲烷等一碳气体）捕集与利用技术，已然成为推动绿色低碳发展以及实现“双碳”目标的关键路径。以一碳温室气体为原料的低碳生物合成技术是典型的碳负性技术，正引领着物质合成的全新范式，对于减缓全球气候变化、达成可持续发展具有重大意义。依克多因，又名四氢嘧啶，是一种源自天然微生物的氨基酸衍生物。作为一种渗透压保护剂，它具有锁水、促进修复以及隔离刺激等特性，被广泛应用于化妆品、食品保鲜、医药保健等领域。当前，化妆品原料依克多因的生产主要以糖基底物生物合成为主，若将温室气体作为其生物制造的原料，不但能够有效降低生产成本，还可以实现可再生碳资源的高效利用，对推动低碳生物合成技术创新以及降低碳排放意义重大。
近年来，我国对温室气体减排与转化利用给予高度重视，然而，如何将一碳温室气体高效转化为长碳链分子（C₃+）依旧面临着巨大挑战。化学-生物耦联催化策略在一碳温室气体合成中长链化学品方面展现出巨大潜力，但该杂合系统中化学-生物模块的适配性仍有待提升。
科研创新
针对上述问题，西安交通大学科研团队联合西北大学和电子科技大学等科研人员创新性地提出了一种新型的电化学-生物催化耦合系统，用于将CO₂和甲烷升级为高价值化妆品原料依克多因。这项工作创新性地证实了将电化学反应与微生物发酵过程相结合的可行性，实现了电化学-生物催化模块的高效适配，提出了基于一碳温室气体生物制造依克多因的新路线，同时也为缓解全球气候变化提供了一条有效途径。
在这项工作中，研究团队合作致力于开发一种电化学CO2还原反应与甲烷（CH4）微生物转化过程的耦合系统，实现依克多因的一碳生物制造。为满足能源需求并提高微生物转化效率，研究团队首先合成了一种高选择性和生产率的CuPc/BNCNT催化剂，该催化剂能够在经济规模上加速CO2生成CH4（法拉第效率73.5%），接着以高能量的一碳底物CH4为碳源，有效促进工程改造的甲烷氧化菌的生长，经生物转化合成高价值的长碳链分子依克多因。该研究在建立了高效电催化系统之后，利用代谢工程改造和开发两阶段发酵等策略，实现了电催化与可放大的CH4为生物转化系统的匹配。值得一提的是，通过电催化系统与生物催化系统的适配，实现了将CO2高效转化为高值产品依克多因（1146 mg L–1），较传统生物转化CO2合成效率提高了10倍，同时显著提升了产率和减碳效益。这一研究成果证实了高值产品电气化生物合成的可行性及巨大潜力，为生物制造和能源储存提供了新的思路和途径。
科研成果
成果与发表期刊
该研究成果以《可扩展电化学-生物催化耦合系统实现从温室气体合成依克多因》（Scalable Electro-Biosynthesis of Ectoine from Greenhouse Gases）为题，发表在国际顶尖学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
论文作者
西安交通大学为第一通讯单位，西安交大化工学院副教授郭树奇与电子科技大学李成博博士为共同第一作者，西安交大费强教授、西北大学范代娣教授以及电子科技大学夏川教授为共同通讯作者。
该研究得到了国家自然科学基金、陕西省杰青基金和四川省自然科学基金等项目的支持。
论文链接
https://doi.org/10.1002/ange.202415445
扫描二维码，查看论文
费强教授团队主页
https://gr.xjtu.edu.cn/web/feiqiang
扫描二维码，查看团队主页
西安交大科研人员
在高维量子测量的不相容结构研究方面取得重要进展
研究背景
量子不相容揭示了量子测量中存在的非经典性，描述了多个量子测量无法同时获得精确信息的现象，被认为是量子信息处理任务中的重要资源，在量子非局域性、量子非互易性、量子精密测量等领域有着重要应用。一对量子测量的不相容性已经在实验中得到了验证，然而，考虑到高维复杂的量子信息处理任务，其测量会出现部分不相容且部分可相容的复杂结构，表征和观测其中的不相容结构对于基础量子理论具有重要意义，并在理论构建与实验设计仍具有挑战。
此前，张沛教授团队在高维量子系统信息处理领域取得了多项重要进展。利用多测量设置方法揭示了高维纠缠体系中更高的量子导引强度，实现从高噪声环境中提取高维导引[Phys. Rev. Lett. 128, 240402 (2022)]；提出了一种高鲁棒性和高准确性的EPR导引维度判定方法，为单方设备无关情况下对共享量子态的维度进行可靠而准确的认证提供了有效途径[Optica 9, 473 (2022)]；发展了新概念“真高维单向导引”以及刻画不对称导引结构的新方法，为高维量子系统的不对称场景导引判定以及度量提供了有效路径[Phys. Rev. Lett. 132, 210202 (2024)]。
科研创新
基于以上成果，研究团队对高维多测量场景的不相容测量结构进行了深入研究，通过发展新的判定不相容结构的理论判据，利用光的轨道角动量搭建高维量子制备测量场景，揭示了高维量子系统中的测量不相容结构。
张沛教授团队在理论上提出了一种新方法来将高维量子系统中存在的复杂测量结构分解成更基础的成对可相容测量的集合，由于违背可相容结构的测量只能展现出有限的噪声抵抗能力，因此可以构建噪声超平面来排除特定的可相容测量结构从而判定对应的测量不相容结构的存在。团队通过此方法给出了对称高维相互无偏基测量的真不相容结构的解析边界，非对称条件下任意高维测量的真不相容结构的数值边界。最后，团队基于光子轨道角动量自由度的高维系统实现了对特定量子不相容结构的捕获。该研究工作展示了高维量子系统中多测量场景的复杂结构，在高维量子信息处理任务中具有潜在的应用前景。
科研成果
成果与发表期刊
该研究成果以"Witnessing Quantum Incompatibility Structures in High-Dimensional Multimeasurement Systems"为题，发表在国际物理顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
论文作者
西安交通大学物理学院为该论文唯一完成单位，西安交通大学23级博士生张啸林为论文第一作者，张沛教授为论文唯一通讯作者。
科研团队
近年来，张沛教授课题组开展了高维量子纠缠、高维量子通信、高维量子测量、量子精密与光场调控等基础研究，主要包括基于光子轨道角动量自由度的高维量子纠缠态产生，并实现高维量子导引特殊结构的验证；高维量子密钥分发的理论方案与实验验证；高维量子不相容结构的理论方案与实验验证；新型结构光场的产生、传输及检测等。在物理科学领域顶级期刊Phys. Rev. Lett.、Light-Sci. Appl.、Optica等发表一系列重要学术论文。
研究工作得到国家级青年人才计划、国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持计划、中央高校基本科研业务费等项目的支持。
论文链接
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.190202
扫描二维码，查看论文
张沛教授团队主页
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhangpei/
扫描二维码，查看团队主页
近期热文速递
「出品 / 党委宣传部」
内容来源 / 西安交大新闻网
封面图 / 李一鸣
值班编辑 / X工作室 谢欣彤
版尾设计 / X工作室 方柯淳
责任编辑 / 徐琛