一周前沿科技盘点〔167〕丨垂直截面制样实现纳米膜厚高精度表征；氯分布均匀化助力高效稳定钙钛矿电池

Mo/Si多层膜厚度的精确表征对光学性能至关重要。针对TEM测量中的伪影问题，新方法通过优化样品取向显著提升了测量精度。

氯离子在钙钛矿薄膜中垂直分布不均会引发缺陷与载流子损失。中国科学院研究团队通过调控氯分布均匀性，可同步提升器件效率与稳定性。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第167期。

1《Acta Optica Sinica》丨垂直截面制样实现纳米膜厚高精度表征

薄膜TEM截面样品倾转示意图

Mo/Si多层膜周期厚度约为7.0 nm，广泛用于提升光学器件反射率。然而，近原子级的膜厚误差会引发反射光谱峰值波长偏移，因此高精度表征对工艺优化至关重要。透射电镜（TEM）是常用手段，但若样品截面与电子束不垂直——如使用晶向不当的Si基底——其二维投影会产生伪影，导致厚度误测。

中国科学院上海光学精密机械研究所研究团队在该领域取得进展，提出了一种提升TEM表征准确性的新方法。以沉积于Si［100］基底的Mo/Si多层膜为例，团队系统研究了不同倾转角度下的成像特性：沿α方向倾转时，膜层厚度测量基本不变，但界面粗糙度增加；而沿β方向倾转则因截面倾斜造成严重伪影，难以分辨Mo/Si层界。为此，团队推导出β方向倾转后的膜厚校正公式，并提出优化制样策略：沿Si晶圆［1-10］方向切割样品，并从［110］晶带轴方向观察，可确保基底与多层膜截面均垂直于电子束。该方法在样品较薄区域成像，有效避免伪影，显著提升厚度测量精度。

此技术不仅有助于深入理解光学薄膜微观结构与性能关系，也为薄膜工艺改进提供了可靠表征依据。

原文链接：https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ405b5bf5587f607f/Abstract

2《Science》丨氯分布均匀化助力高效稳定钙钛矿电池

科学家研制出光电转换效率超27%的钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池十余年来光电转换效率从3.8%跃升至超26%，但仍低于理论极限。制备高质量钙钛矿薄膜是突破瓶颈的关键。甲基氯化铵（MACl）常被用作辅助添加剂，因其可降低成核势垒并促进晶体生长。然而，中国科学院半导体研究所游经碧团队发现，MACl引入的氯离子在结晶过程中会快速迁移至上表面，造成垂直方向氯分布不均，进而诱发上表面缺陷和界面电子势垒，加剧载流子复合、阻碍输运，限制效率与稳定性提升。

针对该问题，团队提出“垂直方向氯元素均匀化分布”策略（HVCD）：在钙钛矿成膜过程中引入碱金属草酸盐，利用其解离出的钾离子与氯离子间的强相互作用，有效抑制氯的无序迁移，实现氯在整个薄膜厚度方向上的均匀分布。由此制备的钙钛矿薄膜载流子寿命达20微秒，界面缺陷态密度低至10¹³ cm⁻³，显著抑制了氯富集导致的复合损失，并消除了界面势垒。基于该薄膜，团队研制出光电转换效率达27.2%的钙钛矿太阳能电池（经多家权威机构认证）。器件在标准光照下最大功率点运行1529小时后，仍保持86.3%的初始效率；在85℃光热耦合老化1000小时后，效率保持率达82.8%。

该成果实现了效率与稳定性的协同突破，为钙钛矿电池产业化提供了关键技术支撑。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw8780

3《Nature Biotechnology》丨新型活细胞DNA成像技术揭示染色质动态调控

CRISPR PRO-LiveFISH设计策略及应用

三维基因组互作与表观遗传修饰在基因表达调控中至关重要，其动态变化与发育和癌症密切相关。然而，现有CRISPR-Cas活细胞成像方法在非重复序列标记、多位点同步观测及原代细胞应用中仍受限于灵敏度与系统复杂性。中国科学院生物物理研究所联合清华大学，将CRISPR与拓展遗传密码技术融合，开发出新型活细胞DNA成像技术——CRISPR PRO-LiveFISH。

该技术引入正交非天然碱基对，并通过Cas9/sgRNA结构的理性设计，实现sgRNA的位点特异性荧光标记，显著提升灵敏度。结合体外转录与转录后修饰策略，构建高通量、位点特异的sgRNA探针库，仅需10条sgRNA即可高效标记非重复DNA序列，支持原代细胞中多达6个基因位点的多色动态成像，且对内源基因干扰小。

利用PRO-LiveFISH，研究团队发现染色质位点运动与其表观修饰状态密切相关：组蛋白乙酰化水平高时运动受限，去乙酰化后运动增强；同时，增强子与其靶基因在动态过程中始终保持空间邻近，表明互作具有高度时空稳定性。进一步研究显示，转录共激活因子BRD4对维持超级增强子与靶基因的三维互作至关重要，其抑制可导致互作解离。

该技术为活细胞三维基因组动态研究提供了强大工具，深化了对表观遗传与染色质空间调控机制的理解。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-025-02887-3

4《JACS》丨激子束缚能超300meV！三维半导体新突破

三维有机无机杂化半导体激子特性研究取得进展

激子是半导体中关键的准粒子，对高效光电器件和量子技术至关重要。然而，传统三维半导体因激子束缚能弱，难以在室温下应用。中国科学院半导体研究所谭平恒研究员团队与合作者针对新型三维有机—无机杂化半导体β-ZnTe(en)₀.₅开展研究，发现其具有异常巨大的激子束缚能。

团队创新性地结合单光子与双光子荧光激发光谱技术：利用二者遵循不同选择定则的特性——单光子探测偶宇称的1s激子基态，双光子探测奇宇称的2p激发态——通过精确测量两者能量差，并基于二维类氢模型估算激子束缚能下限。借助自主研制的共聚焦显微拉曼系统，他们在室温下清晰观测到β-ZnTe(en)₀.₅在3.56 eV处的1s激子发光，并在双光子谱中识别出2p共振吸收峰，能量差达280 meV，据此推算激子束缚能超过315 meV。这一数值是传统ZnTe（约13 meV）的20余倍，为目前已知三维半导体中的最高值，甚至可与典型二维材料媲美。其根源在于该材料独特的“三维框架、二维内核”超晶格结构：有机分子层不仅构建稳定三维骨架，还作为电子限域势垒和介电屏蔽调制层，显著增强电子-空穴库仑作用，从而在三维体系中实现类二维的强激子效应。

该成果为室温激子器件和量子技术提供了全新材料平台。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c15468

5《Nature Communications》丨弱太阳风也能激起火星弓激波振荡

弓激波振荡事件的数值模拟结果

火星弓激波是超磁声速太阳风在火星附近减速并偏转形成的边界，其位置和稳定性反映太阳风与火星空间环境的相互作用强度。中国科学技术大学研究团队利用我国天问一号环绕器搭载的磁强计和离子分析仪数据，并结合美国MAVEN探测器的观测，在火星弓激波对弱太阳风扰动响应方面取得重要进展。

此前研究多关注强扰动下的弓激波行为，而弱扰动条件下的物理机制尚不明确。团队通过联合分析发现，在一次典型事件中，天问一号在弓激波附近多次记录到磁场和等离子体参数的突变，呈现出明显的振荡特征；与此同时，位于上游的MAVEN未探测到显著太阳风扰动，证实该振荡发生于弱扰动背景下。进一步分析表明，当太阳风马赫数较低时，弓激波本身较弱，即使微小扰动也易引发振荡；而在高马赫数条件下，弓激波更稳定，抗扰动能力更强。这一现象通过数值模拟得到验证。

研究依托天问一号自主探测数据及中国科大研制的火星磁强计，首次系统揭示了弱太阳风扰动下火星弓激波的振荡机制，不仅完善了太阳风—火星相互作用理论，也为理解太阳风与无全球磁场行星的空间耦合过程提供了新视角。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65011-8

6《Nature Materials》丨可扩展光量子芯片迈出关键一步

大规模半导体量子点—铌酸锂薄膜混合集成光量子芯片

光量子芯片是光量子信息技术实用化的关键，但传统基于非线性过程的概率性光源效率低、难以扩展。相比之下，半导体量子点作为固态原子，具备确定性、高效率单光子发射能力，是理想片上光源，却受限于频率非均匀展宽和缺乏高效集成技术。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所联合中山大学、中国科学技术大学，成功将自组装量子点确定性单光子源与低损耗铌酸锂薄膜混合集成，研制出目前国际上基于量子点的最大规模混合光量子芯片。团队创新提出基于铌酸锂铁电畴工程的局域应力调控技术，通过直流电压实现量子点发射波长的宽范围、高动态、可逆、低温兼容且仅需微瓦级功耗的精细调谐。同时，发展“微转印”工艺，实现百纳米精度下多达20个量子点光源的同步集成与光谱对准，芯片集成密度达67个/mm，厘米级芯片可容纳超1000个量子通道。在此基础上，团队首次在芯片上实现了空间分离量子点光源间的量子干涉互联，为可扩展片上量子网络奠定基础。

该工作不仅拓展了铌酸锂在片上量子调控中的新功能，也为其他铁电材料在量子集成中的应用提供范式，未来有望结合其高速电光效应，实现光子高速路由与纠缠分发，推动容错光量子计算与量子互联网发展。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1

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