“科”创未来 | 华中大第四十九期科研资讯

编者按

“苟日新、日日新、又日新”，创新是引领发展的第一动力。华中大始终以引领科技进步为己任，在“谋创新”中“谋未来”，创造一项又一项骄人的科创成果！

金马在《21世纪罗曼史》中如是说，“以空前未有的热情，焕发青春的创新功能，激发人人独特的创新精神，使民族的、国家的创新智慧来一个总爆发！使个体的、群体的创新潜能来一个大爆发！”

“科”创未来，旨在带领大家了解华中大最新科研资讯。我们颂扬那些深耕科技兴邦国的大师们，同时也在华中科技大学这片土地上，期待一个又一个的腾飞。

人工智能与自动化学院团队最新研究成果简化和加速新冠病毒诊断过程

10月27日，《自然-机器智能》录用了我校研究团队与剑桥、斯坦福的研究团队联合提出的基于联邦学习的多国协作全开源人工智能框架（UCADI），以帮助放射科医生简化和加速新冠病毒诊断过程。基于中英23家医院近万张的CT扫描数据，证明了UCADI在保证用户数据不共享的情况下，能够多快好省地进行人工智能辅助诊断模型的训练，实现跨国多中心的新冠病毒智能诊断。在此基础上，团队成员还进一步分析了模型的不确定性和数据的异质性，并开源了预训练模型权重和联邦学习框架。值得一提的是，不局限于新冠病毒诊断，UCADI框架还为未来的跨国智能诊断系统的研究提供了基础设施，并将展开和世界卫生组织（WHO）在全球范围内的合作。

我校研究人员主要由人工智能与自动化学院夏天教授团队，白翔教授团队，同济放射科李震教授团队，同济医院王剑明团队和协和放射科郑传胜教授团队组成。该研究成果主要得到了华中科技大学“新型冠状病毒肺炎应急科技攻关专项”的支持，是基于武汉战役的实际经验总结，是华中大学科交叉共融的体现。

光电信息学院王成亮教授团队在储能器件方面取得重要进展

为实现“碳中和”和“碳达峰”的双碳战略，储能器件的需求日益增加，传统锂电池已不足以满足多样化和大规模的储能需求。面向各种新型电池，有机高分子功能材料具有得天独厚的优势。但传统的有机高分子材料的导电性通常较差，不利于获得高性能储能器件。而共轭配位聚合物材料因具有良好的导电性使其在诸多领域（半导体、超导体、存储、气体吸附、传感等）中具有潜在的应用前景，近几年得到了大量关注。但该类材料的结构和化学态还存在着各种争议，其材料的复杂性造成到目前为止，大部分的研究仍集中于单类原子的配位上。近日，《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）发表光电信息学院王成亮教授最新研究成果。王成亮与南京大学马晶教授为本文共同通讯作者。

2的效果。

2的性能提升

通过将S和N用于共配位，实现了导电性、稳定性的协同提升，获得了高容量、高稳定性和良好的快充性能。上述研究工作得到了国家自然科学基金（51773071, 52173163）和中国博士后基金（2020M672323, 2021TQ0115）等项目的资助。

计算机学院吕志鹏教授团队斩获EDA国际算法竞赛冠军

ICCAD会议始于1980年，是EDA领域历史最悠久的顶级学术会议之一，其中CAD Contest算法竞赛作为会议的标志性事件，长期以来受到国际学术界与工业界的广泛关注。每届竞赛的赛题均来自Cadence、Synopsys、Mentor Graphics、Nvidia、IBM等全球著名EDA或半导体公司的真实业务场景，涵盖集成电路设计、制造与测试等环节中的核心算法难题，如逻辑综合、布局布线、等价验证、时序分析等。本届CAD Contest算法竞赛共有来自12个国家/地区的137支队伍参与，包括众多国内外知名高校与研究机构，如加州大学伯克利分校、东京大学、台湾大学、香港中文大学、复旦大学等。

EDA是电子设计的基石产业，也被誉为“芯片之母”。本届竞赛的布局布线问题作为EDA芯片后端物理设计中最重要的环节，直接影响芯片的功耗、面积、时延等各项性能指标。其中，布局过程需将一系列电路单元放置于给定的长方体空间中；而布线过程则需将属于同一个网的单元引脚用导线连接起来。参赛算法需要在考虑空间容量、电压区、最小布线层、金属层布线方向等众多真实约束的情况下，确定每个单元在芯片内的位置，并同时为每个网规划无短路、无断路的信号传输路径，使得导线的加权总长度最短。吕志鹏教授团队所设计的启发式优化算法，在冗余导线检测、布线环路消除、并行化邻域评估加速、布局调整最优移动区域识别等多项关键技术上实现了突破。

在11月4日结束的EDA（电子设计自动化）领域的国际会议ICCAD 2021（计算机辅助设计国际会议）上，我校计算机学院吕志鹏教授团队获得了CAD Contest布局布线（Routing with Cell Movement Advanced）算法竞赛的第一名。团队成员还包括苏宙行博士、研究生罗灿辉、梁镜湖和谢振轩。

根据ICCAD 2021会议公布的竞赛结果，该团队所设计的算法在所有测试算例上均达到了竞赛中的最优结果。据悉，今年是该团队首次参加ICCAD竞赛。

吕志鹏教授所在实验室自成立至今的40余年来，一直聚焦于NP难问题的求解算法与工业应用研究，曾多次获得国际算法竞赛全球前三名，如：2021年GECCO“最优相机布局与集合覆盖”国际算法竞赛第一名；2021年ISPD“晶圆级物理建模”切分布局布线国际算法竞赛第三名；2020年GECCO“最优相机布局与集合覆盖”国际算法竞赛第一名；2018年SAT国际算法竞赛第三名；2017年SAT国际算法竞赛第一名；2016年ROADEF/EURO“液化气库存路由”国际算法挑战赛第三名；2010年国际护士排班算法竞赛第三名；2008年国际大学排课表算法竞赛第二名等。

物理学院低维物理与量子材料团队在二维铁电性的实验观测方面取得进展

铁电材料具有稳定的、可被外场调控的自发电极化状态，在基础科学研究和工业化应用领域均受到广泛关注。近年来，理论和实验的推进使得铁电材料突破了常规的钙钛矿氧化物的范畴，以为In2Se3代表的二维铁电材料表现出室温下稳定存在的本征铁电行为，为实现铁电功能型器件的小型化和集成化的道路上迈出了一大步。然而，最近的研究表明，In2Se3所特有的纳米尺度条纹，并非源自于其铁电性，而是反铁电和铁弹行为。因此，In2Se3的二维铁电性还需要更多的实验证据，而且单原子层极限下In2Se3的二维铁电特性尚未有实验报道，电场调控的铁电转变也鲜有实现。

11月9日，物理学院付英双教授领导的低维物理与量子材料团队以“Atomic visualization and switching of ferroelectric order inβ-In2Se3films at the single layer limit”为题在该领域权威学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表该课题组在二维铁电性的实验观测方面取得的最新进展。物理学院博士生张志模为本文的第一作者，张文号副教授与付英双教授为论文的共同通讯作者。华中科技大学物理学院为唯一研究单位。

在本论文工作中，付英双教授团队利用分子束外延（MBE）的材料制备技术，成功在石墨烯衬底表面外延生长出原子级别平整的单原子层InSe和In2Se3薄膜。并通过调控样品生长条件，实现了InSe和In2Se3两相之间的可控相变。对于二维层状范德瓦尔斯的In2Se3薄膜，利用低温扫描隧道显微镜/谱学（STM/STS）技术，同时观察测到两种类型（β'和β*）的条纹相共存。在铁电性的畴壁上，由于电偶极矩的存在而引入净的正（负）电荷，导致局域的费米能级向下（上）移动，最终造成不同方向的能带弯曲。此种反平行的铁电极化体现在原子台阶处周期性的原子起伏高度，其两倍于条纹的周期（3.2 nm），代表边界处积累了反向的正负电荷。此外，跨过不同反铁电畴的 STS 线谱，也能清楚地观察到电荷积累带来的反向能带弯曲效应。这些都表明单层的β'-In2Se3中存在面内的反铁电性，且在室温下稳定。

团队还研究了β'-In2Se3和β*-In2Se3之间的相变过程。实验发现：β'-In2Se3经常会自发地转化为β*-In2Se3，意味着反铁电-铁电相变过程的发生。且相变存在一定的势垒，需要外界电场（约为3 × 107V/cm）达到临界值才能提供足够的能量。此外，利用STM针尖产生的脉冲电压（3.5 V/ 50ms），实现了β'-In2Se3和β*-In2Se3的之间可控相变过程，还能使得部分反铁电条纹改变取向，获得不同类型的反铁电畴。

此项工作从实验上观测到单原子层极限下β'-In2Se3的反铁电性和β*-In2Se3的铁电性，获得了实空间中铁电特性的原子尺度可视化，并成功实现了两相之间的电场调控。这表明：二维极限厚度下体系铁电性仍然可以稳定地存在。由此对于理解二维体系中铁电性及反铁电性的起源具有重要价值，且有助于实现In2Se3材料在非易失性铁电存储器件方面的实际应用。

谭必恩教授团队在共价三嗪框架薄膜制备研究中取得新进展

光催化水分解产氢是一种理想的太阳能利用手段，共价三嗪框架材料具有较好的可见光吸收能力，高的结构共面性，丰富的氮含量及高稳定性，已经被证明是优秀的聚合物基光催化材料。然而，以往报导的共价三嗪框架材料都是粉末状态，对应的粉末悬浮光催化系统存在催化剂回收和规模化困难等问题。此外，以往报导的合成方法得到的不熔、不溶的粉末,难以加工，极大的限制了其器件化和实际应用。

11月15日《自然·通讯》（Nature Communications）杂志在线刊发了化学与化工学院谭必恩教授研究团队最新研究成果“固载型共价三嗪框架薄膜高效光催化水分解产氢” (Immobilized Covalent Triazine Frameworks Films as Effective Photocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction,Nature Communications.2021, DOI: 10.1038/s41467-021-26817-4)。该文阐述了谭必恩教授团队在共价三嗪框架薄膜制备方面的最新研究进展：采用脂肪胺介导的界面聚合法制备自支撑、透明、柔性、厚度和横向尺寸可调的半结晶共价三嗪框架薄膜，从而实现了固载的有机半导体薄膜光催化系统的构建，有望成为发展实际有效的光催化系统的关键手段。

图1 脂肪胺介导的共价三嗪框架薄膜制备策略示意图

谭必恩研究团队以醛类化合物与脂肪胺形成的席夫碱中间体为前驱体，利用该前驱体在DMSO表面自组装形成的气液界面限域聚合反应，实现了厚度（30nm-500nm）和横向尺寸可控的共价三嗪框架薄膜的制备。其中薄膜的横向尺寸可达18cm，约250cm2。进一步的，将该薄膜固载在玻璃表面，实现了固载平板型光催化剂的制备。该工作为共价三嗪框架及共价有机框架材料的薄膜制备及器件化提供了一种新的思路。

图2 共价三嗪框架薄膜的光学照片及微观形貌表征

我校为论文的唯一完成单位，谭必恩教授是论文的通讯作者，论文第一作者是化学与化工学院博士生胡勋亮，论文共同作者还包括化学与化工学院硕士生詹禛，上海同步辐射光源的张建桥博士，以及巴基斯坦拉合尔管理科学大学Irshad Hussain教授等。该研究工作得到了国家重点研发计划(2018YFE0117300),国家自然科学基金项目(22161142005, 21975086)和湖北省自然科学基金重点项目（2019CFA008）资助。

华中科技大学本科招生工作办公室

来源 / 华中大新闻网

编辑 / 罗宇慧

校对 / 姚子艺

审核 / 胡涛