研在合工大 | 礦床、探測(cè)與材料領(lǐng)域新進(jìn)展

目錄

1. 斑巖型銅金礦床研究領(lǐng)域

2. 量子精密測(cè)量研究領(lǐng)域

3. 熱電材料與器件研究領(lǐng)域
   

01

斑巖型銅金礦床研究領(lǐng)域

資源與環(huán)境工程學(xué)院周濤發(fā)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)等單位在國(guó)際著名期刊《地球與行星科學(xué)快報(bào)》（Earth and Planetary Science Letters）上發(fā)表了最新研究成果，提出了一種全新的“流體驅(qū)動(dòng)自氧化（fluid-driven auto-oxidation）”機(jī)制，為解釋斑巖型銅金礦床形成過程中巖漿氧逸度升高提供了新的理論框架。

斑巖型銅金礦床是地球上最重要的金屬礦床類型之一，貢獻(xiàn)了全球約75%的銅和20%的金。由于其在資源供給與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的關(guān)鍵地位，揭示其成礦機(jī)制一直是國(guó)際礦床學(xué)研究的前沿課題。長(zhǎng)期以來，研究者普遍認(rèn)為斑巖型銅金礦床的形成與巖漿的氧逸度（即巖漿的氧化程度）密切相關(guān)。然而，斑巖巖漿在演化過程中為何氧逸度升高、其內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力是什么，一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

研究團(tuán)隊(duì)以全球典型斑巖型銅金礦床的成礦巖漿巖為研究對(duì)象，選取對(duì)巖漿氧逸度和含氯流體極為敏感的角閃石作為研究載體，通過系統(tǒng)的礦物化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)角閃石的Cl、Cu含量、Mg2（氧逸度）在巖漿演化過程中呈現(xiàn)出緊密的耦合關(guān)系：當(dāng)巖漿開始析出富氯流體時(shí)，體系的氧逸度顯著升高，同時(shí)，早期結(jié)晶的硫化物被氧化分解，釋放出其中的銅、金等金屬進(jìn)入流體相。這一過程表明，巖漿無需外部流體輸入，也可通過自身流體的出溶實(shí)現(xiàn)氧化增強(qiáng)，即所謂的“自我氧化”。

同時(shí)，這一機(jī)制也為解釋不同類型斑巖銅金礦床的成因差異提供了新思路：侵位較深、氧逸度更高的巖漿系統(tǒng)更易形成富銅斑巖型銅金礦床，而侵位較淺、中-高氧逸度的巖漿系統(tǒng)則傾向形成富金斑巖型銅金礦床。此外，本研究還指出，成礦巖漿巖記錄的氧逸度并不代表其原始巖漿的氧化還原狀態(tài)。該成果為斑巖型銅金礦床的成因研究及構(gòu)建更加科學(xué)的成礦模式提供了新的視角，完善了斑巖型礦床的理論體系，對(duì)深入理解巖漿中金屬元素的運(yùn)移、氧化還原狀態(tài)及熱液成礦過程等具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

資源與環(huán)境工程學(xué)院王世偉副教授為該論文的第一作者和通訊作者，合肥工業(yè)大學(xué)為第一通訊單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的聯(lián)合資助。

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02

量子精密測(cè)量研究領(lǐng)域

物理學(xué)院量子精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)室陳冰教授團(tuán)隊(duì)在量子精密測(cè)量領(lǐng)域連續(xù)取得突破性進(jìn)展，為高精度矢量磁場(chǎng)探測(cè)和微米級(jí)分辨率磁成像提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》上。

1.革新微納尺度矢量磁場(chǎng)探測(cè)方法

傳統(tǒng)基于NV中心的磁場(chǎng)測(cè)量多依賴自旋相干操控（如Ramsey干涉），但在強(qiáng)噪聲環(huán)境或短相干時(shí)間下，靈敏度和穩(wěn)定性顯著受限。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將耗散自旋動(dòng)力學(xué)引入磁場(chǎng)測(cè)量，提出了一種基于耗散自旋動(dòng)力學(xué)的矢量磁場(chǎng)檢測(cè)新方法。該方法利用光泵浦和自發(fā)輻射驅(qū)動(dòng)的非相干過程，通過時(shí)間分辨熒光信號(hào)提取矢量磁場(chǎng)信息，從而在不依賴自旋相干性的情況下實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的高精度定量估計(jì)。與依賴相干的傳統(tǒng)方法相比，該方案對(duì)自旋退相干噪聲具有天然魯棒性。實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)強(qiáng)度約1G、方向約1°的探測(cè)精度，相對(duì)誤差僅為0.6%-1.3%，并在強(qiáng)退相干環(huán)境下依然保持穩(wěn)定性能，如圖1。

圖1.(a) 基于耗散動(dòng)力學(xué)的時(shí)間分辨熒光測(cè)量原理示意；(b) 通過速率方程模型重建磁場(chǎng)方向與強(qiáng)度；(c) 、（d）實(shí)驗(yàn)熒光曲線與理論擬合結(jié)果的對(duì)比

2.實(shí)現(xiàn)微米級(jí)分辨率磁成像

團(tuán)隊(duì)針對(duì)高分辨率磁場(chǎng)掃描的技術(shù)需求，提出了一種無需微納加工的穩(wěn)健磁探針構(gòu)建方法。該方法通過結(jié)合納米金剛石中氮-空位色心的量子磁敏感性與錐形光纖的高光子效率，實(shí)現(xiàn)了1微米空間分辨率的磁場(chǎng)探測(cè)。研究采用光學(xué)梯度力將納米金剛石精確捕獲并定位于光纖尖端，隨后通過范德華力將其穩(wěn)定固定，無需復(fù)雜的微納制造工藝。這一技術(shù)可拓展用于微小磁結(jié)構(gòu)或微電路的磁場(chǎng)測(cè)量，充分利用錐形光纖的集成光子增強(qiáng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高信噪比的穩(wěn)定磁傳感，為量子精密測(cè)量技術(shù)在集成電路與芯片的檢測(cè)提供了新的思路，如圖2。

圖2.實(shí)現(xiàn)了基于自旋的超高靈敏度和分辨率的量子磁場(chǎng)探測(cè)

兩項(xiàng)研究分別解決了NV色心量子傳感從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的不同關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：耗散動(dòng)力學(xué)方法攻克了復(fù)雜環(huán)境下矢量磁場(chǎng)測(cè)量的穩(wěn)定性難題，而光纖集成磁探針則實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率與高靈敏度的兼顧。研究表明，新開發(fā)的耗散動(dòng)力學(xué)磁檢測(cè)方法不僅適用于金剛石NV中心，還可拓展至碳化硅、六方氮化硼等其他自旋缺陷平臺(tái)，甚至有望應(yīng)用于生物兼容的熒光蛋白自旋體系，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃、省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目、合肥工業(yè)大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目資助。

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03

熱電材料與器件研究領(lǐng)域

化學(xué)與化工學(xué)院劉玉課題組與材料科學(xué)與工程學(xué)院閆健課題組，聯(lián)合南昆士蘭大學(xué)洪敏和浙江大學(xué)溫州研究院張宇打破中溫?zé)犭娖骷墓β拭芏燃o(jì)錄，在PbTe基熱電材料及器件構(gòu)筑研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Advanced Materials》（先進(jìn)材料）上。

中溫余熱回收要求材料兼具高功率因子PF與低熱導(dǎo)率κ，但電子輸運(yùn)與聲子傳熱強(qiáng)耦合。盡管PbTe具有可調(diào)能帶和低晶格熱導(dǎo)κL，但受限于Na受主固溶度、界面散射不足與高溫雙極熱導(dǎo)κb等瓶頸，其材料優(yōu)勢(shì)難以穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為器件端的功率密度與效率。因此，亟需在多尺度微結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)寬譜聲子散射，并在成分與能帶層面協(xié)同優(yōu)化受主濃度與能谷收斂的策略，使材料性能能夠以可驗(yàn)證的方式持續(xù)映射到器件層面的同步提升。

本研究提出“Na2S協(xié)同的微結(jié)構(gòu)-組分共設(shè)計(jì)”路線：在真空固相熔融-快淬火-熱壓工藝中，Na2S熱分解釋放含硫揮發(fā)物，原位誘導(dǎo)納米至微米分級(jí)孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留的Na優(yōu)先進(jìn)入晶格占位形成受主摻雜，并在晶界處原位生成納米析出相與高密度位錯(cuò)場(chǎng)。由此構(gòu)建的“孔-析出相-位錯(cuò)-細(xì)晶”多級(jí)散射網(wǎng)絡(luò)顯著抑制κL，同時(shí)通過L-Σ谷收斂與空穴濃度優(yōu)化保持超高PF，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電-聲輸運(yùn)的解耦。

圖1.Na2S協(xié)同設(shè)計(jì)多孔PbTe熱電材料：工藝與機(jī)理示意、材料的熱電性能，以及單對(duì)偶器件的功率密度及其與文獻(xiàn)的對(duì)比

最終，在材料層面，Pb0.97Na0.03Te-1.0%Na2S在823K獲得zTmax~2.2，并在623-823K區(qū)間實(shí)現(xiàn)zTavg~1.9，體現(xiàn)出在中溫域的高性能；循環(huán)與高溫持續(xù)運(yùn)行未見性能衰減，熱穩(wěn)定性良好。在器件層面，基于該材料制備的單腿器件在ΔT=395K條件下實(shí)現(xiàn)13.4%的熱電轉(zhuǎn)換效率；進(jìn)一步與N型方鈷礦（Yb0.25Co3.75Fe0.25Sb12）集成的單對(duì)偶器件在ΔT=375K條件下實(shí)現(xiàn)超高功率密度2.2W·cm-2的輸出。

圖2.硫醇-胺配合物前驅(qū)體化學(xué)與界面工程協(xié)同優(yōu)化高效SnTe熱電材料

此外，在與PbTe同族且同屬中溫段典型熱電材料SnTe體系中，劉玉課題組提出并驗(yàn)證了硫醇與胺配合物驅(qū)動(dòng)的可控前驅(qū)體化學(xué)與分子級(jí)界面工程的協(xié)同策略，在溶液體系中實(shí)現(xiàn)SnTe納米晶的規(guī)模化制備，并揭示了前驅(qū)體化學(xué)、表面終止及界面結(jié)構(gòu)對(duì)能帶調(diào)控與聲子散射的關(guān)鍵作用機(jī)制，從而兼顧載流子輸運(yùn)與晶格熱導(dǎo)抑制，推動(dòng)SnTe在中溫?zé)犭妳^(qū)間的綜合性能提升。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際著名期刊《ACS Nano》。本研究拓展了團(tuán)隊(duì)在近室溫Ag2Se體系的調(diào)控思路（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 32199-32208），以分子層級(jí)可控化學(xué)為出發(fā)點(diǎn)貫通合成、界面與輸運(yùn)，形成普適性策略范式。以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)以及安徽省留學(xué)人員創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持。

論文鏈接：

來源 | 資源與環(huán)境工程學(xué)院 物理學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院

編輯 | 羅敏

封圖 | 陶珊珊

責(zé)編 | 衛(wèi)婷婷 徐晨希

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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