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本篇研究来自河北工业大学、清华大学、山东泰开高压开关有限公司、中国电科院联合研发团队。本研究提出了基于盆式绝缘子表面粗糙化和氟化改性的金属颗粒活性抑制方法。改性后绝缘子表面电荷密度降低是由改性促使表面电导率的提升（提升电荷消散）以及改性后三结合处产生低电场区（降低金属颗粒运动范围）共同作用的结果。该方法为直流GIL工程化中金属颗粒的抑制提供了可参考的思路。 文章介绍 Significantly Suppressing Metal Particle-induced Surface Charge Accumulation of Spacers in DC Gas-insulated Power Transmission Lines Yunqi Xing（邢云琪）， Xinbo Sun (孙鑫博)，Jinpeng Jiang（姜金鹏）, Fangwei Liang（梁芳蔚）, Zuodong Liang（梁作栋）, Weijian Zhuang（庄伟建）,  Bo Liu（刘博）,  Dege Li（李德阁）, Shaohua Cao（曹少华）, Min Li（李敏） Jinliang He（何金良） and Chuanyang Li（李传扬） 通讯作者： 李传扬，清华大学   将盆式绝缘子放置在有0.1 MPa F2/N2混合物（体积分数为12.5%的F2）的密封腔体中，控制腔体内温度为50 °C，进行15分钟的表面氟化。将20N的力施加到2000目砂纸上，使其与绝缘子表面紧密接触，同时绝缘子以大约2周/秒的速度旋转，进行20分钟的表面粗糙化。选用半径0.1mm，长10mm线形金属颗粒，采用带有正、负电荷的微米级粉尘对施加直流电压后的盆式绝缘子进行粉尘法处理，获得表面电荷分布及电荷极性。试验平台及粉尘粒径如下图所示。 线形金属颗粒在未处理的绝缘子附近的移动范围大于60°，然而在表面粗化或氟化处理后，线形颗粒在绝缘子附近移动范围控制在30°以下。 绝缘子表面经粗糙化处理后，其表面电荷密度明显降低，氟化处理可显著抑制绝缘子表面的电荷积聚，如下图所示。 相对于未进行表面处理的绝缘子，距离表面处理后绝缘子不同距离处的线形金属颗粒的启举电压已显著提高。此外，氟化处理在提升金属颗粒启举电压方面效果更加更显著（如下图所示）。绝缘子经表面处理后，三结合处电场以及绝缘子表面的同极性电荷的降低都有助于线形金属颗粒的活性减弱，从而降低金属颗粒诱发的GIL绝缘故障发生频次。 研究背景： 直流GIL中金属颗粒起举电场远低于运行场强，这导致工况下绝大多数金属颗粒均会起举，并在高压导体与地电极之间做往复运动。作者前期研究发现线形金属粒子在直流电压下会诱发绝缘子表面积聚同心分布的双极性电荷簇（Xing, Y....

本篇研究来自南京信息工程大学张磊课题组。本研究有助于基本了解分子卤化物钙钛矿的高度聚集体及其结构-性质关系，用于光电器件例如太阳能电池和光电探测器；并强调了分子卤化物钙钛矿的高度聚集体对其光电应用的重要性。 文章介绍 Monomeric-to-pentameric aggregation of molecular Cs4PbBr6 halide perovskite: a first-principles investigation Lei Zhang（张磊）and Wenguang Hu（胡文广）   通讯作者： 张磊，南京信息工程大学化学与材料学院   在本文中，我们使用第一性原理计算来了解分子卤化物钙钛矿Cs4PbBr6的结构和光电性质。系统地构建了Cs4PbBr6的单体、二聚体、三聚体、四聚体和五聚体形式，揭示了Cs4PbBr6高度聚集的结构与性质。 图1 二聚体到五聚体Cs4PbBr6聚集体的分子结构 分子卤化物钙钛矿聚集体通过卤素键和Cs离子的共享来稳定。随着聚集向更高程度移动时，可以观察到带隙减小。   图2 Cs4PbBr6聚集体的DOS态密度 聚集体中存在不同分子区域之间的分子内电子转移，随着聚集度的增加，紫外-可见吸收光谱的峰吸收波长出现了系统的红移，通过对Fukui函数、静电势和前沿轨道能级的计算，进一步研究了聚集体的详细结构和电学性质。 图3 聚集体的紫外-可见吸收模拟光谱，显示了从单体到五聚体的吸收光谱红移和逐渐减小的吸收强度 图4 Cs4PbBr6分子及其聚集物的亲电图、亲核图、自由基图和ESP图 图5 所选聚集体的自旋密度空间分布 本研究有助于基本了解分子卤化物钙钛矿的高度聚集体及其结构-性质关系，用于光电器件例如太阳能电池和光电探测器。本研究强调了分子卤化物钙钛矿的高度聚集体对其光电应用的重要性。   研究背景： 卤化物钙钛矿材料自2009年首次出现以来发展迅速。基于ABX3的铅卤钙钛矿在过去十年中光电转换效率从3.8%提高到25.7%。除了太阳能电池外，卤化物钙钛矿材料也被应用于其他光电应用领域，如发光二极管、闪烁体和光电探测器。过去的研究显示，降维是提高卤化物钙钛矿材料的光电性能和稳定性的一种可行方法。其中，零维A4BX6的分子形式由于其独特的结构和极化子特性而受到广泛关注。然而，分子卤化物钙钛矿在二聚体形式之外的更高程度聚集体的结构和性质仍然需要阐明。 作者介绍 张磊  教授 南京信息工程大学 张磊，南京信息工程大学教授，博士毕业于剑桥大学物理系（即卡文迪许实验室）。研究方向包括材料信息学、光伏材料和光电/能源材料，关注数据驱动方法研究材料科学问题，结合第一性原理计算与数据科学预测新型光伏材料、提取科学信息并实验/模拟验证，开发和使用自然语言处理和机器学习方法在材料、物理、化学和能源等领域中应用。发表SCI论文110余篇，其中以第一作者或通讯作者在Nano Energy、Advanced Functional Materials 等期刊中发表或接收SCI论文80余篇，多篇论文入选ESI“高引用论文”或“热点论文”，申请国家发明专利10项，得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、南京优秀留学回国人员等项目资助。 期刊介绍 Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 2021年影响因子：2.421  Citescore：3.9...

特刊详情 客座编辑 白莹，河南大学 张伟风，河南大学 赵俊伟，河南大学 主题范围 河南大学创立于1912年，是一所拥有文、史、哲、经、管、法、理、工、医、农、教育、艺术、交叉等13个学科门类的综合性、研究型大学，有36个学院（教研部）、99个本科专业、48个硕士学位授权一级学科、30种硕士专业学位授权类别、21个博士学位授权一级学科、19个博士后科研流动站，10个学科进入ESI世界排名前1%，82个本科专业进入一流本科专业建设“双万计划”。学校有全日制在校生5万余人、教职工4600多人，教师中有专兼职院士、学部委员22人，长江学者、国家杰青、“万人计划”等领军人才59人；拥有2个国家重点实验室，1个国家野外科学观测研究站，2个国家重点社科研究平台，3个国家地方联合工程研究中心（工程实验室），5个教育部和农业部重点实验室（中心），以及一批国家级教育、研究、培训基地。 物理与电子学院前身为始建于1923年中州大学时期的数理系。拥有物理学一级学科博士点及博士后科研流动站，并拥有物理学、集成电路科学与工程和电子科学与技术3个一级学科硕士点和2个专业学位硕士点。学院拥有物理学、电子科学与技术和光学工程3个河南省重点学科，物理学作为“纳米材料与器件”学科群支撑学科成功入选河南省优势特色学科建设工程一期建设学科。 为庆祝河南大学成立110周年，Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD）和Journal of Physics: Condensed Matter （JPCM）联合特刊累计接收投稿30余篇。最终JPhysD特刊录用10篇论文，JPCM特刊录用7篇论文，集中展现了河南大学物理学科的学术进展和科研成果。 点击下方链接，查看更多特刊文章。 JPhysD特刊：https://iopscience.iop.org/collections/0022-3727_jpd-spe-hnu JPCM特刊：https://iopscience.iop.org/journal/0953-8984/page/Focus_on_the_SPE_HENU_School_of_Physics_Electronics_Henan_University 特刊文章 A direct Z-scheme g-C6N6/InP van der Waals heterostructure: a promising photocatalyst for high-efficiency overall water splitting Han Wenna et al 2022 J. Phys. D: Appl. Phys. 55 264001   Differentiated transmittance of vortex beams in helical polymer...

本篇研究来自中国科学技术大学龙世兵课题组。本文通过磁控溅射工艺在氧化镓单晶表面沉积氧化铂电极，氧化铂结晶形成氧化铂多晶，首次观测到氧化铂多晶中存在电偶极子，经过测试分析后得出结论，该电偶极子是导致肖特基势垒升高的原因，为提高肖特基势垒高度提供新的思路。 文章介绍 Elevated barrier height originated from electric dipole effect and improved breakdown characteristics in PtOx/β-Ga2O3 Schottky barrier diodesGuangzhong Jian（菅光忠）, Weibing Hao（郝伟兵）, Zhongyu Shi（石中玉）, Zhao Han（韩照）, Kai Zhou（周凯）, Qi Liu（刘琦）, Qiming He（何启鸣）, Xuanze Zhou（周选择）, Chen Chen（陈陈）, Yanguang Zhou（周艳光）, Xiaolong Zhao（赵晓龙）, Guangwei Xu（徐光伟）, and Shibing Long（龙世兵） 通讯作者： 徐光伟，中国科学技术大学微电子学院   本研究发现，随着氧化铂电极中氧组分的升高，器件的势垒高度逐渐增加，但开尔文探针显微镜测量表明电极的功函数差别不大，如图1所示，说明势垒的升高并非来源于电极功函数的变化，同时排除了费米能级钉扎效应的影响。 图1 不同氧化铂电极的势垒高度和功函数 随着氧化铂电极厚度从3、6、9增加到12nm，器件的势垒高度也逐渐增大，这种变化趋势与电偶极子效应非常类似。观察发现，肖特基界面的氧化铂会结晶形成多晶，并且其中的铂离子和氧离子呈层状交替排列，离子层平行于氧化镓表面，如图2所示。 图2 肖特基界面处的氧化铂呈层状交替排列并有一定的取向性 这种离子层的交替排列，导致氧化铂多晶中存在电偶极子，影响到界面处载流子的跃迁，使得肖特基势垒升高，如图3所示。 图3 肖特基界面处的能带示意图...

IOP出版社每月从年度重点期刊中精选一系列文章供大家阅读，这些文章体现了IOP期刊的高质量和创新性，并呈现了一些受关注的研究工作。欢迎大家阅读下载！ 精选文章 Journal of Physics D: Applied Physics PtNi multi-branched nanostructures as efficient bifunctional electrocatalysts for fuel cell Kai Zhao, Tangjiang Qian, Xiaoyan Bai, Menglin Feng, Han Gao, Tianyu Xia, Ziyu Wang and Haizhong Guo   Micromagnetic manipulation and spin excitation of skyrmionic structures Lan Bo, Chenglong Hu, Rongzhi Zhao and Xuefeng Zhang   Nanotechnology...

本篇研究来自华中科技大学薛堪豪课题组。本文回顾了固体能带计算的历史，分析了密度泛函理论带隙问题的根源，建立各种解释之间的联系,并对方法的未来发展趋势进行展望。 文章介绍 DFT-1/2 and shell DFT-1/2 methods: electronic structure calculation for semiconductors at LDA complexityGe-Qi Mao(毛格齐), Zhao-Yi Yan(鄢诏译), Kan-Hao Xue(薛堪豪), Zhengwei Ai(艾正蔚), Shengxin Yang(杨晟鑫), Hanli Cui(崔寒立), Jun-Hui Yuan(袁俊辉), Tian-Ling Ren(任天令) and Xiangshui Miao(缪向水) 通讯作者： 薛堪豪，华中科技大学集成电路学院   近期，应IOP出版社旗下Journal of Physics: Condensed Matter期刊编辑的邀请，华中科技大学集成电路学院缪向水、薛堪豪团队撰写了关于DFT-1/2以及shell DFT-1/2新型能带计算方法的长篇综述论文。这篇38页的论文DFT-1/2 and shell DFT-1/2 methods: electronic structure calculation for semiconductors at LDA complexity回顾了固体能带计算的历史，分析了密度泛函理论带隙问题的根源，建立各种解释之间的联系。特别是，针对巴西圣保罗大学费雷拉教授等人于2008年提出的DFT-1/2能带计算方法，薛堪豪教授等人从固体的基本哈密顿量出发进行了详细的数学推导，特别是强调了其自能势形式的物理来源，推导过程的变量标记与Richard Martin的Electronic Structure经典论著严格保持一致。文章阐明了薛堪豪教授于2018年提出的shell DFT-1/2改进方法的基本思路与其应用效果，并介绍了DFT-1/2的其他重要发展。在带隙修正的层面上，我们还比较了DFT-1/2与杂化泛函、sX-LDA、GW、电子自相互作用修正（SIC）、Koopmans-compliant泛函、剪刀算符、DFT+U、Delta-sol等其他方法之间的联系与区别。论文展示了(shell) DFT-1/2是特别适合于微电子、光电子等领域的半导体能带计算方法，列举了诸多成功应用实例，并分析了方法可能的局限性。该论文将吸引更多学者关注DFT-1/2与shell DFT-1/2计算方法，拓展其具体应用，并为方法的进一步发展指明方向。   图1.半导体带隙的定义（φ-χ）以及shell DFT-1/2的实空间自能修正  ...

随着近年人工智能技术的发展，构建更高效、更智能的硬件系统越来越成为关注的焦点。传统计算机基于冯诺依曼结构，它的数据吞吐能力往往受限于其中分立设计的存储和计算单元之间的失配。在人工智能时代，因存储器时延和带宽的不足，传统计算机在大数据处理时面临严重的能效问题。同时，无人驾驶、仿生机器人、脑机接口等虽然得益于人工智能技术发展，在智能水平上有了很大的提升，但在运动感知能和生物兼容性等方面，仍然表现得不够好。这两方面的困境都使得科学家们去思考新的计算范式，转而从生物系统的计算、感知和运动功能方面去汲取灵感。 因此，所谓的神经形态系统引起了世界范围内的兴趣，这一领域旨在从大脑的神经生物学架构中汲取灵感，构建一个高度智能、超低能耗的计算系统。近些年来自不同区域、不同学科背景的科学家都为这一方向提出了新的方案和新的思考。然而这一领域的发展仍然亟需解决来自材料、器件、电路、制造设备、辅助设计工具、应用场景、未来发展方向等多个方面的问题。 中国正在成为这一研究领域最活跃的地区之一。《2022中国神经形态器件与应用研究路线图》于近日发表在Neuromorphic Computing and Engineering期刊上。该路线图从中国科学家的视角出发，描绘了构建神经形态系统的潜在趋势。来自中科院、清华大学、北京大学、南京大学、复旦大学、华中科技大学等国内多个研究团队探讨了关于这一方向的多个核心主题，主要分成了神经形态系统的材料与器件、神经形态系统的工具与应用、神经形态计算的未来展望三个部分，涉及了电子科学、计算机科学、材料学、物理学等多个学科。这为寻求能够像人类一样计算、感知和运动的极高能效和高度智能的电子系统提供指导，也为这一领域的发展提供中国智慧。相信这一领域的发展将催生一些激动人心的新应用场景和新技术范式。 文章介绍 2022 roadmap on neuromorphic devices & applications research in China Qing Wan, Changjin Wan, Huaqiang Wu, Yuchao Yang, Xiaohe Huang, Peng Zhou, Lin Chen, Tian-Yu Wang, Yi Li, Kanhao Xue, Yuhui He, Xiangshui Miao, Xi Li, Chenchen Xie, Houpeng Chen, Z. T. Song, Hong Wang, Yue Hao, Junyao...

IOP出版社每月从年度重点期刊中精选一系列文章供大家阅读，这些文章体现了IOP期刊的高质量和创新性，并呈现了一些受关注的研究工作。欢迎大家阅读下载！ 精选文章 Journal of Physics D: Applied Physics Effect of anti-solvents on the performance of solar cells based on two-dimensional Ruddlesden–Popper-phase perovskite films Chun-Liang Zhou, Wen-Bo Ma, Zhen-Long Zhang and Yan-Li Mao   Magnon dynamics during phase transitions in FeRh by Brillouin light scattering Ying Jin, Yinhua Tian, Huiliang Wu, Yabing Zhang, Chaozhong Li, Fufu...

本篇研究来自西安理工大学机仪学院张延超教授课题组。本文研究了表面织构对指尖密封性能的影响，表面织构方向应与转子运动方向一致，表面织构深度应尽可能小（< 25μm），表面织构密度的合理范围为 20% ~ 40%。 文章介绍 Effect of snake-biomimetic surface texture on finger sealing performance under hydrodynamic lubrication Lingping Chen（陈玲萍）, Yanchao Zhang（张延超）, Yahui Cui(崔亚辉), Jie Wang(王杰) and Mingfeng Wang(王明峰)   通讯作者： ■  张延超，西安理工大学   为了研究表面织构对指尖密封性能的影响，在蛇鳞的启发下，我们提出了四种表面织构形式，并在流体动压润滑条件下进行了综合性能分析。 首先，在雷诺方程的基础上，提出了流体动压润滑下的表面织构化指尖密封的数值模型。然后，考虑到不同表面织构的类型、排布和几何参数等，进行了表面织构化指尖密封性能分析。结果表明：(1)当表面织构轮廓与转子运动方向一致时，有利于产生较好的流体动压，提高密封性能；(2)为了使表面织构化指尖密封具有良好的减摩耐磨特性，表面织构深度应尽可能小(<25μm)。(3)当表面织构深度等于密封间隙时，平均无量纲压力达到最大，摩擦系数最小；(4)随着表面织构密度的增加，平均无量纲压力呈现出先迅速增加、后逐渐平缓趋势，而摩擦系数恰恰相反。考虑到制造的经济性，取合适的表面织构密度范围为20%～40%。 Figure 1. Illustration of the geometric structure of finger seal: (a) section view of a finger seal; (b) overview of single finger laminate; (c) primary...

主题范围 光学的发展是推动科学和技术进步的重要力量。中国的光学研究工作者对光学各分支的发展都做出了重要贡献，产生了越来越广泛的国际影响。为了展示我国科学家的光学研究成果，促进学术交流，本期特刊将提供平台发表光学和光子学领域的最新研究进展。涵盖主题包括光学和光子学各领域的实验和理论研究。 客座编辑 许京军  教授 南开大学 ● 许京军，南开大学常务副校长，物理学教授，博士生导师。1998年获国家杰出青年基金资助，1999年成为教育部长江学者奖励计划特聘教授。长期从事凝聚态非线性光学及其应用研究，在弱光非线性光学、微纳尺度下非线性光学等研究中取得重要进展，为弱光非线性光学发展做出重要贡献，并为国家应用需求提供了器件技术支持；发现了若干微纳尺度下非线性光学新效应及其应用，开拓了若干微纳结构光场调控新功能与应用。曾获国家自然科学二等奖等10余项国家级省部级科技奖励；合作发表学术论文600余篇、编著著作6部，获发明专利授权40余项。 陈红胜  教授 浙江大学 ● 陈红胜，浙江大学信息与电子工程学院院长，教授，博士生导师。国际电气和电子工程师协会会士（IEEE Fellow），教育部长江特聘教授，国家杰出青年基金获得者。相继入选中组部首批青年拔尖人才、教育部新世纪人才，获全国百篇优秀博士学位论文奖、教育部霍英东青年教师奖、国家自然科学基金优秀青年基金。主要研究方向包括新型人工电磁结构、异向介质、电磁波隐身、深度学习与智能电磁波调控等，在Nature、Nature Physics、Nature Photonics、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Physical Review Letters、PNAS等国际期刊上发表了280余篇论文，被引用12000余次。目前担任SCI期刊Journal of Optics专题主编，Progress in Electromagnetics Research期刊Deputy Editor in Chief。多次担任PIERS、Metamaterial、APMC、亚太微波会议等大会主席、分会主席和程序委员会委员。 魏红  研究员 中国科学院物理研究所 ● 魏红，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。2004年本科毕业于山东大学物理学院，2009年博士毕业于中国科学院物理研究所，并留所工作。曾获得中国青年女科学家奖、中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院物理所科技新人奖、国家优秀青年科学基金、中科院卓越青年科学家项目、北京市科技新星计划等荣誉和人才项目支持。长期从事等离激元光子学研究，在Physical Review Letters、Nano Letters、Chemical Reviews、PNAS等期刊发表论文六十余篇。担任Journal of the Optical Society of America B的Topical Editor，Journal of Optics和Advanced Photonics Research的编委。多次担任META、SPIE/COS Photonics Asia、CLEO、CLEO-PR等重要国际会议的分会主席或程序委员会委员。 仇旻  教授 西湖大学 ● 仇旻，西湖大学副校长，国强光学工程讲席教授，博士生导师。美国光学学会理事会（扩大）理事、国家杰出青年基金获得者、国际电气和电子工程师协会会士（IEEE Fellow）、美国光学学会会士（OSA...

本篇研究来自吉林大学李爱军和王晓峰课题组。本文介绍了以MoS2 和PTAA作为钙钛矿太阳能电池的双层空穴传输层有效提高了电池的转换效率。在三维钙钛矿太阳能电池中利用双层空穴传输层器件将电池功率转换效率提高到 18.47%，而单独使用 PTAA 的对照设备显示转换效率为14.48%。在二维钙钛矿太阳能电池中也体现了同样的效果，双层空穴传输层器件的转换效率达到13.19%，而单独使用PTAA的转换效率为10.13%。 文章介绍 Efficiency improvement of inverted perovskite solar cells enabled by PTAA/MoS2 double hole transportersWeidong Hu（胡炜东）, Xin Jin（靳昕）, Aijun Li（李爱军）, Cheng-Liang Liu（刘振良） and Xiao-Feng Wang（王晓峰）通讯作者： 李爱军，吉林大学物理学院 王晓峰，吉林大学物理学院   研究背景： 由于钙钛矿结构具有高吸收，双极载流子传输特性，良好的流动性和长载流子扩散长度等优异光电性能，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究近年来一直是国内外新能源探索的热点。其中具有很高器件效率的Spiro-OMeTAD 是目前最广泛使用的空穴传输材料，然而其成本昂贵，并且为了高电导率而掺杂在其中的物质将降低电池的稳定性，这些缺陷限制了其在商业化中的应用。钙钛矿太阳能电池的商业化急需一种低成本、高效、稳定的空穴传输材料。MoS2 作为一种无机半导体材料，具有适当的内在带隙、疏水性、低成本、环境稳定性和溶液可加工性等优点而被广泛应用于光电器件中。我们设计了一种旋涂PTAA的MoS2无机纳米片双空穴传输层结构有效提高了钙钛矿太阳能的效率和稳定性。   研究内容： 空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中起着至关重要的作用，我们以MoS2纳米片作为倒置光伏结构的阳极缓冲层来提高钙钛矿太阳能电池的性能。具有单MoS2缓冲层的钙钛矿太阳能电池功率转换效率低并且长期稳定性差。结合 MoS2和PTAA作为双层空穴传输层后，电池功率转换效率提高到18.47%，而单独使用PTAA的对照设备显示转换效率为14.48%。在二维钙钛矿太阳能电池中也体现了同样的效果，对于双层空穴传输层器件，转换效率达到13.19%，而单独使用PTAA的对照组相应转换效率为10.13%。通过电学阻抗谱和荧光光谱分析显示转换效率的显著改善归因于界面电阻的降低以及空穴抽取能力的提高。此外，改善后的电池器件表现出更好的稳定性，转换效率在储存500h后仍然保持初始值的66%，高于47%的基于单个PTAA或MoS2设备的剩余转换效率。本研究结果表明聚合物和无机纳米材料作为钙钛矿太阳能电池以及其他光伏结构的双层缓冲材料的潜在应用价值。 作者介绍 王晓峰  教授 吉林大学 吉林大学物理学院学院教授，博士毕业于日本关西学院大学理工学部，主要从事太阳能转换与储存相关的研究。已经在EES, JACS, AFM等期刊发表论文120多篇。成果获得中国科学报能源版专题报道。 李爱军  副教授 吉林大学 吉林大学物理学院学院副教授，从事新能源电池和量子光学方面的研究，先后在美国佐治亚南方大学，美国威廉玛丽学院等做访问学者。 期刊介绍 Nanotechnology 2021年影响因子：3.953  Citescore：6.2 Nanotechnology（NANO）创刊于1990年，是第一本纳米科研和技术领域的专业期刊。NANO发表纳米技术研究发展前沿的高水平研究论文及纳米研究进展的综述，主要集中在纳米能源、生物和医学、电子和光子、图案和纳米加工、传感和驱动、材料合成和材料性能等领域。

本篇研究来自北京大学杨玉超课题组和黄如课题组。本文系统介绍了用于无标签数据处理的忆阻器硬件这一新兴领域。从不同的无标签数据处理算法的原理出发，介绍了该算法的忆阻器计算系统实现策略以及应用前景，总结了该领域存在的问题以及解决方案，包括非理想因素和电压降等，并提出了该领域将来的发展方向在于工艺和良率的优化、软硬件协同和寻找新原理的器件等。 文章介绍 Memristive Devices Based Hardware for Unlabeled Data Processing Zhuojian Xiao（肖卓建）, Bonan Yan（燕博南）, Teng Zhang（张腾）, Ru Huang（黄如） and Yuchao Yang（杨玉超） 通讯作者： 杨玉超，北京大学 黄如，北京大学   在对无标签数据处理、忆阻器以及二者结合的重要性进行简要介绍之后，本论文根据算法种类，将现有的忆阻器硬件研究工作进行了系统总结。这些计算硬件所基于的忆阻器包括金属氧化物忆阻器、相变忆阻器、自旋忆阻器、离子栅晶体管和铁电晶体管等，所实现的算法包括主成分分析、k-means、稀疏编码、自编码器、Hopfield网络、受限波尔兹曼机和脉冲神经网络等。这些忆阻器硬件的信号编码方式既有数字和模拟的，还包括适用于神经形态硬件的脉冲信号，其应用涵盖了机器视觉的特征提取、生物医疗的基因数据分析和疾病检测以及神经形态计算领域的联想记忆和高效优化问题求解等。 在对上述忆阻器计算系统进行总结和对比分析基础上，本论文提出了现有的忆阻器硬件普遍存在的问题。这些问题包括：1）器件的非理想因素，如缺陷、器件涨落和寄生效应等，这些非理想因素影响了算法的精度和收敛性。2）电压降，电压降会导致硬件的规模和计算并行度降低，从而影响硬件可拓展性和效率。3）器件的初始化问题，忆阻器需要一个较大的电压来对器件初始化，该电压会导致其他器件受到损害。最后，本论文提出了忆阻器计算系统的未来发展方向在于工艺和良率的持续优化、软硬件协同和寻找新原理的器件等。   研究背景： 人工智能浪的主要挑战之一在于寻找到更快速和高效的硬件，从而在海量数据中提取有价值的信息和知识。带标签的数据处理较为方便，但带标签的数据需要人工标注，其代价高昂。因此，无标签数据处理算法和硬件在人工智能应用中是更为普适的任务。无标签数据处理算法既包括如主成分分析和聚类等传统机器学习手段，还涵盖多种神经网络模型，例如受限玻尔兹曼机、Hopfield网络、生成对抗网络和脉冲神经网络等。这些算法中包含有大量的矩阵向量乘以及神经元模型等计算单元。用传统的COMS硬件来实现上述计算代价高昂，而用忆阻器来执行则能够在面积和能量开销方面获得巨大提升。因此，将基于忆阻器的硬件用于无标签数据处理将对人工智能产生巨大的促进作用。 作者介绍 杨玉超  教授 北京大学 杨玉超，北京大学长聘教授、国家杰青获得者。长期从事忆阻器、类脑计算、存算一体芯片等研究，在Nature Reviews Materials、Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、IEDM等权威期刊和会议发表论文120余篇。获首届科学探索奖、求是杰出青年学者奖、《麻省理工科技评论》中国区35岁以下科技创新35人等奖项，入选2020全球前2%顶尖科学家榜单、2020年与2021年爱思唯尔“中国高被引学者”。   黄如 教授 北京大学 黄如，北京大学教授、中国科学院院士、发展中国家科学院院士、IEEE Fellow。长期从事集成电路科学与工程研究，在新型低功耗逻辑与存储器件、神经形态器件及类脑计算、边缘智能计算芯片、可靠性及EDA等共性技术方面取得系统创新成果。连续被列入多个版本的国际半导体技术发展路线图ITRS，在国际上产生重要影响，相关成果转移到国内外知名IC制造、设计和EDA公司。迄今在领域标志性会议IEDM、VLSI和标志性期刊EDL、TED上发表100余篇论文，2篇ISSCC论文被遴选为大会Highlight亮点论文；应邀做国际会议大会和特邀报告50余次。曾获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖、北京市科学技术一等奖（2次）、教育部自然科学一等奖、教育部科技进步一等奖、中国青年科技奖等多项国家和部委级奖励。 期刊介绍 Neuromorphic Computing and Engineering Neuromorphic Computing and Engineering（NCE）是一本涵盖多个学科领域、采用开放获取（OA）形式出版的期刊。NCE期刊将神经形态系统的硬件和计算方面结合在一起，读者群覆盖工程、材料科学、物理、化学、生物学、神经科学和计算机科学等领域，跨越学术界和产业界的各个群体。在NCE期刊上发表的研究需针对神经形态系统和人工神经网络领域做出及时而重要的贡献。