根据国家科技部《国家重点实验室专项经费管理办法》和《武汉光电国家研究中心开放基金课题管理办法》的有关规定，武汉光电国家研究中心（以下简称“研究中心”）现公开发布2024年度开放课题申请指南。

一、指南内容

开放课题由研究中心发布课题指南，支持国内高水平研究人员对研究中心当前重点关注的研究方向开展协同攻关研究工作。本年度研究中心围绕集成光子学、光电信息存储、激光科学与技术、能源光子学和生物医学光子学5个方向，拟设立15项开放课题，每项8万元，各课题的申报指南如下：

1集成光子学研究方向

题目一：基于氮化硅微环的多波长量子光源研制

研究内容：1.通过仿真软件对氮化硅微环进行仿真迭代和参数优化，实现高品质因数氮化硅微环制备。2.对激光芯片与氮化硅微环芯片进行共同封装，通过监测泵浦光功率与反馈控制算法实现谐振峰控制。3.对量子光源进行性能表征，主要包括量子光源的光谱亮度测量，预示与非预示条件下的二阶自相关测量，以及通过搭建不等臂干涉仪测量双光子干涉，实现能量时间纠缠光子对表征。

预期成果：研制出基于氮化硅微环的多波长量子光源，其自由光谱范围与ITU标准通道间距相兼容，微环品质因数达到10⁶，光谱亮度达到10⁷Hz/mW²/GHz，具有谐振峰波长动态调控功能。

考核指标：量子光源各指标满足预期，发表高水平论文2篇或形成专利转化获得效益。

题目二：超宽带半导体光放大器

研究内容：随着互联网和多媒体业务的日益增加、以及智能家居和物联网等新兴业务的兴起，用户对网络带宽的需求迅猛增长。超宽带半导体光放大器（SOA）是扩展现有光通信系统容量的一种极有前途的光放大器。然而，其面临带宽与增益、饱和输出功率之间相互制衡、难以兼顾的挑战。课题针对C+L波段的超宽带SOA展开研究，建立超宽带SOA的理论模型，并进行相应器件的设计与制作。

预期成果：建立C+L波段超宽带SOA的理论模型和研究方法，设计并制作出相关原型器件。

考核指标：（1）工作波段：C+L波段；增益 >12 dB；（2）发表SCI/ESCI论文2-3篇（包含一篇Frontiers of Optoelectronics），或者共同申请专利1项。

题目三：基于异质集成的高性能光电探测器研究

研究内容：相比于传统的集成光电探测器，异质集成光电探测芯片结合了不同材料的优势，适应更宽的波长响应范围和更广泛的应用需求。在硅和铌酸锂等波导平台上可以通过外延生长、晶圆级转移和键合等方式与其他各类材料平台如二维材料、量子点、氧化物半导体等新型材料进行异质集成，以实现高性能的光电探测。本项目探索在硅/铌酸锂平台上异质集成新材料的方法，研究外延和晶圆键合的异质集成工艺；研究异质材料光电探测器的结构设计和工艺优化，提升异质集成光电探测器的性能，覆盖更宽的波长范围，实现大带宽，高响应度，低噪声的高性能光电探测器。

预期成果：研制出硅/铌酸锂基底上异质集成III-V族/二维材料/氧化物半导体等新材料的光电探测器芯片；优化异质集成工艺和探测器结构设计，实现高性能的光电探测。

考核指标：在硅/铌酸锂平台实现晶圆级异质集成的高性能光电探测器，探测器的带宽大于80GHz，响应度大于0.4 A/W。发表SCI/ESCI论文2-3篇（包含一篇Frontiers of Optoelectronics），或者共同申请专利2项。

题目四：新型高性能电光晶体及其电光调制器件研究

研究内容：针对铌酸锂等电光材料电光系数小、集成光子学器件低驱动电压与微小型化难以兼容的问题，本课题着力解决用于高性能集成光子学器件的新型高性能电光晶体的设计与制备，探索其片上器件应用潜力。重点实现新型高性能电光晶体的设计与生长制备，获得兼具高电光系数和高可集成度的晶片，为集成光子学提供潜力介质。并基于此类高性能电光晶体，探索片上器件可控设计方案，以微环结构电光调制器件为范例，获得高性能电光调制器件。

预期成果：制备具有高电光系数的新型高性能电光晶体，获得基于新型电光晶体的集成光子学器件设计方案，实现片上微环结构电光调制器的制备与测试。

考核指标：电光晶体指标：电光系数> 300 pm/V，晶片尺寸不小于10*10 mm²，光学级抛光表面粗超度≤2 nm；电光器件指标：调谐效率≥30 pm/V。发表高水平SCI论文不少于4篇，申请发明专利不少于2项。

题目五：面向高速信号处理的集成光子储备池神经网络芯片研究

研究内容：随着5G和大数据等多业务的快速发展，通信容量激增，大容量光通信系统对高速信号处理能力提出了新的挑战。基于电域信道均衡的传统数字信号处理（DSP）技术，面临着“摩尔定律”失效和加工环节不可控的双重瓶颈，性能提升困难。光子储备池神经网络可充分利用光子大带宽、超高速的物理特点，同时具备循环神经网络处理时序任务上的天然优势，有望成为突破当前数字处理芯片能效和算力瓶颈的有效手段，但仍面临着芯片规模小、调控难度大、均衡能力有限的限制。本项目针对上述问题，探索光域信道均衡机制，设计光子储备池神经网络芯片新架构，研究光子储备池神经网络训练算法，形成基于光子储备池神经网络芯片的信道均衡新方法，提升现有光域均衡能力。

预期成果：研制出光子储备池神经网络芯片，搭建基于光子储备池神经网络芯片信道均衡链路。

考核指标：光子储备池神经网络芯片节点数量≥16，完成储备池神经网络权重训练，与原始误码率相比，误码率提升不少于2个量级。发表SCI/ESCI论文2-3篇（包含一篇Frontiers of Optoelectronics），或者共同申请专利2项。

2光电信息存储研究方向

题目一：面向多模态大模型的忆阻器存算芯片可靠性保障技术研究

研究内容：相较于大语言模型，多模态大模型涉及到图片、文本、音视频等模态的编解码过程，往往需要更加高昂的硬件成本与资源消耗，多模态应用的算力需求面临巨大挑战。忆阻器存算架构所具备的高性能、低能耗优势，成为突破多模态大模型算力瓶颈的关键技术。然而，忆阻器作为一种新兴的非易失性存储器，其非理想特性对大模型计算的可靠性构成了严峻挑战。当前忆阻器芯片架构设计尚未对多模态大模型的计算模式及访存特征进行深入理解；算法及应用开发则缺少对芯片架构可靠性的充分保障。如何基于忆阻器存算芯片构建高效可靠多模态大模型计算系统有待进一步深入研究。重点研究内容如下：（1）研究面向多模态大模型共性计算的容错芯片架构，挖掘多模态数据序列化、编解码等计算模式的共性抽象，通过跨层次软硬件协同实现忆阻器存算芯片的高能效特性；（2）设计并实现高效可靠的大模型容错推理机制，对器件故障、读写噪声等非理想因素充分考量，以保障基于忆阻器存算芯片的可靠性和稳定性。

预期成果：为基于忆阻器芯片的大模型计算系统提供可靠性保障的关键理论和技术支撑；构建容错计算原型系统并验证典型多模态大模型应用；系统整体性能提升10%以上，模型推理能耗降低30%以上，保证模型精度损失在1%以内，硬件容错开销保持在10%以内。

考核指标：（1）完成技术指标并提供相关研究的原型代码。（2）发表SCI/ESCI/国际会议论文2-3篇，共同申请专利1-2项。

题目二：基于数据增强技术的3D NAND闪存可靠性优化方法研究

研究内容：3D NAND闪存存储器目前面临多种可靠性挑战，包括读写干扰、电荷保持、数据失效等问题，这些问题会导致存储性能和寿命的显著下降。传统的可靠性优化方法需要在不同工作条件下进行大量测试和表征，成本和时间开销巨大。虽然机器学习方法可以基于部分测试数据预测闪存的可靠性特性，但其对计算资源和数据集规模要求较高，难以适应多样化的芯片类型和应用场景。本研究拟通过分析闪存的物理特性和失效机理，研究在有限测试数据条件下优化可靠性预测性能的方法。探索数据增强技术在闪存可靠性预测中的应用，结合先进的机器学习模型，对增强后的数据进行训练和预测，构建可靠性优化原型系统。

预期成果：提出基于数据增强的3D NAND闪存可靠性预测和优化方法，相比传统方法，在预测准确率、优化效果等方面提升10%以上，同时显著降低测试和优化成本。

考核指标：（1）完成技术指标并提供相关研究的原型代码。（2）发表SCI/ESCI/国际会议论文3-4篇，共同申请专利1-2项。

题目三：基于铁电材料的感存算一体化神经形态视觉传感器的研究

研究内容：传统的基于冯·诺依曼（Von Neumann）架构的机器视觉系统，由于传感器和处理单元的分离，导致了高延迟和高能耗。感存算一体化的神经形态视觉传感器可以在一个器件内同时实现信号的感知、存储和计算，减少数据传输，显著降低能耗和延迟。然而，当前仍存在一些问题，如负光电导的调控难度大、器件光响应的非线性、信息存储的易失性等。铁电材料具有可翻转、非易失的极化特性，基于铁电光伏效应原理可以有效解决上述问题。具体研究内容如下：（1）制备高质量的铁电薄膜，通过多种原位及非原位表征手段，结合理论计算，研究电场和光场对铁电材料铁电畴结构的调控规律，并揭示其内在的物理机制；（2）优化器件结构，研究电极材料和电极结构对器件光电性能的影响，并通过调控铁电极化，研究器件对应的光电响应特性。

预期成果：（1）阐明不同极化电压或入射光源对铁电材料铁电畴结构的影响规律及内在的物理机制；（2）实现器件性能的精准调控，使其具有双极性、非易失的光响应特性。

考核指标：（1）器件具有多组正负可调、非易失的光电响应态（≥8）。（2）发表SCI论文2-3篇，申请发明专利1-2项。

题目四：面向云数据分析系统的智能多维索引技术研究

研究内容：现代数据分析系统利用云计算技术的弹性和可扩展性，有效推动了大数据、人工智能等技术的发展，但是分离式的资源部署模式也带来了高昂的数据访问成本。索引作为提高数据访问效率的主要技术，对于优化云数据分析系统性能至关重要。然而，现有智能索引技术，例如学习型索引，没有针对云端列式且分块的数据存储格式、广泛存在的宽表以及独特的工作负载等特点进行设计，使得云数据分析系统的性能没能得到充分释放。因此，本课题开展以下研究：（1）自适应智能数据分区技术，设计云端工作负载感知的高效数据分区方案，能够在有效提高分析系统数据读取效率的同时，随负载变化对分区方案进行高效调整。（2）面向云数据分析系统的智能多维索引技术，设计利用云端数据分布与工作负载特点的智能多维索引技术，通过与数据分区技术有效协作，充分提高数据访问性能，最终实现对云数据分析系统整体性能的进一步释放。

预期成果：实现云端工作负载感知的自适应智能数据分区技术；实现适用于云数据分析系统的智能多维索引技术。将云端典型工作负载的数据访问量减少50%以上，任务端到端执行时间减少30%以上。

考核指标：（1）完成技术指标并提供相关研究的原型代码。（2）发表SCI/ESCI/国际会议论文2-4篇，或共同申请专利1-2项。

题目五：三维磁记录写头关键技术研究

研究内容：随着AI、云和互联网的发展，全球数据产生总量爆炸式增长，对数据存储容量的需求巨大，而磁记录硬盘（Hard Disk Drive，HDD）作为数据中心的主要存储介质，发挥着极其重要的作用。三维磁存储通过增加多层磁记录介质，可以实现更高的存储面密度，有助于进一步降低温冷数据的存储成本以满足未来海量数据的存储需求。然而，随着三维磁记录介质层数的增加，数据写入的难度突增，新型写头结构亟待研究。具体研究内容如下：（1）研究超衍射极限的热点光斑获取，通过设计提高光组件的能量循环利用系统，解决双层记录层辅助能量问题；（2）结合微磁理论，构建双层记录层介质模型，实现光热磁多物理场建模，解决双层磁记录的数据写入关键技术问题。

预期成果：（1）建立三维磁记录的多层介质模型；（2）提出三维磁记录的写头光组件新型结构，建立三维磁记录的数据写入理论模型。

考核指标：（1）完成三维磁记录写头的光热磁仿真计算系统，实现写磁头的优化设计。（2）发表本领域内高水平论文3-4篇（包含一篇Frontiers of Optoelectronics）。

3 激光科学与技术研究方向

题目一：近单周期超宽带高阈值啁啾镜对精密制备及损伤机制研究

研究内容：超宽带啁啾镜对具备超宽工作带宽、色散精确补偿等特性，是近单周期超强超短激光脉冲以及阿秒脉冲产生所必不可少的色散补偿元件，肩负着超宽光谱范围内全系统能量激光脉宽压缩的重任。然而随着超宽带啁啾镜对工作带宽的增加，群延迟色散振荡与色散调控能力和抗激光负载能力的相互制约关系日益显著，而色散振荡则会引起激光脉冲旁瓣和展宽，影响脉冲输出能量和峰值功率，抗激光损伤能力降低则会进一步限制输出能量。因此，超宽带啁啾镜对在宽带宽下的色散补偿能力和抗激光损伤性能最终决定了超强超短激光系统的输出能力。随着超强超短激光向着近单周期更窄脉宽和百拍瓦甚至艾瓦更高峰值功率发展，对啁啾镜的工作带宽、色散配对制备精度、抗激光损伤等性能提出了更高的要求。针对近单周期超强超短激光对于超宽带啁啾镜对需求，突破带宽对色散控制、损伤阈值的制约关系，完成满足少周期超强超短脉冲产生的超宽带高阈值啁啾镜。具体研究内容：（1）近单周期超宽带高阈值啁啾镜对时域电场高容差理论设计；（2）基于薄膜二维生长模型的啁啾镜对精密制备；（3）少周期激光作用下啁啾镜损伤机制研究。

预期成果：（1）建立时域电场调控超宽带啁啾镜对高容差设计新方法，阐明啁啾结构高效率传输和色散自由调控机制；（2）构建少周期激光作用下啁啾膜系损伤破坏模型；（3）完成近单周期超宽带高阈值啁啾镜对制备，支撑少周期超短脉冲输出。

考核指标：发表SCI论文3-4篇。

题目二：超短脉冲激光增材制造多物理场耦合建模

研究内容：针对超短脉冲激光增材制造成形质量受流场扰动、固体变形等多物理场因素影响的难题，本项目研究建立飞秒激光微纳增材制造过程的多物理场耦合仿真模型，为高精度激光增材制造提供理论指导。具体研究内容包括：（1）建立飞秒激光微纳增材制造跨尺度热-力-流-固多场耦合模型，探究典型光刻胶在流-固转化过程中的收缩应力、结构变形等现象；（2）研究复合光刻胶内纳米线或高分子链定向排列现象的物理规律，构建有限元仿真模型，探究激光扫描成型过程中剪切流场、聚焦光场等复合能场对纳米线或各项异性小分子取向力的作用机制。

预期成果：建立飞秒激光双光子聚合增材制造过程的多物理场耦合模型，厘清激光微纳增材制造过程中的结构变形机理以及材料定向组装的物理机制。

考核指标：（1）建立一套飞秒激光微纳增材制造过程中的跨尺度热-力-流-固多场耦合仿真模型，通过仿真计算实现多材料飞秒激光微纳增材制造温度场、流场、变形以及高定向组装的分析和预测；（2）合作发表高水平SCI论文2-3篇，共同申请专利/软件著作权1项。

题目三：基于人工智能算法的超构表面逆向设计及多目标优化研究

研究内容：超构表面作为一种由亚波长单元结构二维排布构成的微纳光学器件，可以通过灵活的结构设计实现对光场波长、振幅、偏振态、轨道角动量等多种参量的精确调控，是光学系统小型化、集成化解决途径之一。在传统超表面设计中，设计者往往是依赖先前的经验，通过参数扫描实现结构的优化设计。这种方法通常比较耗时，而且仅能调整少数的设计参数，无法进行全部设计自由度上的优化。在同时针对光场多个参量调控的多功能超表面设计中，常规直接仿真的设计能力则更加有限。近年来，随着统计机器学习的高速发展，以深度学习为代表的数据驱动建模范式成为了人工智能领域革新发展的最强动力，这为超表面带来了全新的设计模式。本研究面向超表面高效逆向设计需求，基于深度学习等人工智能技术探索多设计维度、多设计目标情况下超表面的优化设计问题，并结合梯度优化算法、启发式算法等迭代优化算法，实现超表面逆向设计和优化的系统性算法工具。具体研究内容：（1）基于深度学习的智能化逆向设计网络实现光学响应与物理结构的映射；（2）端到端协同优化的多功能超构表面逆向设计框架；（3）多维度全息显示、大NA消色差超构透镜等超表面器件的设计验证。

预期成果：实现基于人工智能的超表面端到端逆向设计和多目标优化算法框架，实现多功能全息显示、超构透镜等器件的设计验证。

考核指标：（1）完成超表面智能设计算法和数据库的开发，单元结构逆向设计时间≤10ms，相比与全波仿真平均误差≤10%；完成多功能超表面全息、消色差超构透镜等器件的设计验证。（2）共同发表SCI/ESCI论文3-4篇（包含一篇Frontiers of Optoelectronics），共同申请专利1项。

题目四：粉末床激光熔融成形镁合金光谱特性及其与成形质量相关性研究

研究内容：粉末床激光熔融（LPBF）成形镁合金在航天航空等领域应用前景广阔，然而高功率密度激光作用下镁元素极易烧损而造成成分偏离、气孔缺陷，对其烧损特性进行在线研究十分必要。尽管目前国内外已有少量的研究关注该问题，但均采用事后成分测试的方法，缺乏在线实时检测技术。LPBF成形时产生的光谱信号与元素烧损密切相关，可作为其在线检测信号，但是LPBF成形条件下，光谱难以在线快速检测，且信号弱、波动大，光谱与成形质量关联难。本项目通过研究，获得LPBF成形镁合金光谱在线检测方法、光谱特性及其与成形质量的相关性，为未来LPBF成形镁合金成形质量的在线监控打下基础。具体研究内容：(1) 粉末床激光熔融成形镁合金光谱在线原位检测；（2）非均匀弱光谱的快速准确处理；（3）光谱特性与成形质量的相关性。

预期成果：获得粉末床激光熔融成形镁合金光谱在线原位快速检测方法、光谱特性及其与成形质量相关性，为下一步成形质量实时监控打下基础。

考核指标：（1）完成粉末床激光熔融成形镁合金过程中的在线光谱检测及其与成形质量相关性研究，为下一步成形过程质量实时监控打下基础。具体的技术指标：①光谱检测频率≥1000Hz；②镁元素成分预测偏差≤25%；③LPBF成形镁合金致密度≥99%；④LPBF成形镁合金抗拉强度≥320MPa，延伸率≥4%。（2）提供研究报告和光谱数据处理源代码，研究报告内含三项研究内容、微观组织照片、在线原位监测装置设计图等。（3）发表SCI/ESCI论文3-4篇（包含一篇Frontiers of Optoelectronics），共同申请专利1项。

题目五：强激光场作用下分子团簇高次谐波的理论研究

研究内容：强激光与物质相互作用产生高次谐波，是目前实现相干阿秒光源的主要途径。原子、分子气体高次谐波产生过程可以用半经典三步模型很好的解释，而固体高次谐波产生机制还有待深入研究。团簇作为介于原子、分子与宏观固体材料之间的多核聚集体，是连接物质由原子、分子转向固体材料的重要纽带。因此，研究强激光场作用下团簇高次谐波的产生是研究原子、分子高次谐波如何转变为固体高次谐波的重要手段。本项目具体研究内容：（1）从电离阈值下分子团簇高次谐波出发，通过改变分子团簇的尺寸大小，研究原子、分子高次谐波向固体高次谐波的转变物理过程；（2）研究分子团簇在不同对称性结构下的高次谐波的奇偶辐射特性；（3）通过改变团簇的几何结构和掺杂等方法，增强和优化团簇高次谐波的转换效率。

预期成果：（1）研究分子团簇谐波效率共振增强的背后的物理机制，实现单个高强度阿秒脉冲，为制备团簇基阿秒光源提供理论方案；（2）为团簇高精度和高分辨表征提供新方法。

考核指标：发表SCI/ESCI论文3-4篇。

4能源光子学研究方向

题目一：高效率高稳定性热蒸发钙钛矿发光二极管的研究

研究内容：针对目前热蒸发钙钛矿发光二极管器件效率和工作稳定性不佳等问题，拟开展高效率高稳定性的新型器件结构构筑等研究工作。研究关键界面对钙钛矿发光薄膜生长过程、晶体结构和发光特性的影响机制；合成或筛选新型有机小分子钝化剂用于热蒸发制备钙钛矿发光薄膜缺陷的原位钝化；研究钙钛矿发光层及载流子输运功能层的能级结构对电荷注入、传输、复合等载流子动力学过程的影响。总结高性能热蒸发钙钛矿发光二极管器件结构设计的科学理念。

预期成果：（1）制备出高效率、高稳定性的钙钛矿电致发光器件；（2）合成或筛选出不少于两类可蒸镀生长的新型钝化剂材料；（3）阐明器件中关键界面的钝化机制及载流子动力学过程。

考核指标：（1）器件最大EQE＞20%，发光光谱峰值波长随驱动电压漂移不超过5nm，光谱半峰宽FWHM≤25nm，器件稳定性LT50@初始亮度100cd/m²超过100小时。（2）发表高水平SCI论文4篇。

题目二：锑基量子点合成及光伏应用

研究内容：金属阳离子配位构型调控的锑基量子点合成机制，通过降低锑前体配位数增加反应活性位点，揭示成核动力学；通过预合成的晶种或团簇等进行多步外延生长，获得尺寸单分散的锑基量子点，阐明表面阴阳离子生长半反应的基元机制；通过发展新型表面配体以及配体交换等获得低缺陷量子点，引入电荷桥增强量子点之间的电耦合；通过设计反型器件结构结合电荷传输层研究，制备高性能锑基量子点太阳电池。

预期成果：（1）揭示锑前体在有机溶剂中的空间配位构型，降低配位数以增加活性反应位点，实现锑前体的活性调控，建立锑基量子点的成核动力学。（2）在揭示表面反应基元步骤动力学的基础上，通过多步外延生长，实现锑基量子点尺寸可调。

考核指标：（1）锑基量子点太阳电池光电转换效率达到9%。（2）发表SCI/ESCI论文3篇，共同申请专利1-2项。

题目三：新一代KrF光刻胶

研究内容：半导体光刻胶因技术受限，KrF和ArF光刻胶核心技术被日本和美国等企业所垄断，国产化率低，始终处于“卡脖子”困境。适用于8英寸硅片的KrF光刻胶的自给率不足5%，而适用于12寸硅片的ArF光刻胶完全依靠进口。从源头对光刻胶分子进行设计与合成，发展具有自主知识产权的光刻胶技术，实现光刻胶的进口替代和国产化，在248 nm光酸剂和光刻胶树脂及超分辨光刻胶开发方面进行自主研发，加快国产替代步伐，建立新的知识产权体系。本项目通过自主开发新型光酸剂单体与各类添加剂单体，实现新的光刻机制与技术开发，利用二元协同效应提高曝光灵敏度，实现高效能光刻制造。研究内容如下：（1）非离子光酸剂和光酸单体的自主研发制备；（2）三元及四元光刻胶树脂设计与制备；（3）光刻胶配方开发；（4）光刻胶工艺验证。

预期成果：（1）开发出具有自主知识产权的深紫外光刻胶，解决超分辨光刻胶的国产空白，突破国外技术与供应链封锁。（2）无需高端ArF光刻机，采用KrF光刻机，利用自主研发的超分辨光刻胶与先进光刻制造技术，得到类似干式ArF光刻机单次曝光获得的分辨率，是现在KrF曝光条件下的100 nm分辨率。这项技术可以缓解国内芯片企业没有193 nm光刻机和光刻胶的供应链焦虑，还可促进国内产业界花更大精力投入新技术开发。

考核指标：（1）曝光波长248 nm，单次曝光分辨率150 nm，且工艺宽容度大，在曝光能量偏差20 mJ/cm²左右时候，CDU依然控制在10%以内；（2）采用自主研发超分辨工艺与材料体系，将KrF光刻胶单次曝光的极限分辨率提升至100 nm；（3）突破3项光刻胶开发的关键共性核心技术（包括重要单体制备），研发3-5项新光刻胶产品。（4）申请专利至少10项，授权至少8项，发明专利占比80%；制定至少2项基于248纳米光刻机的深紫外光刻胶及超分辨光刻胶先进光刻工艺的技术标准。在国际高水平期刊发表学术论文至少4篇。

题目四：高稳定性铝电池正极的构筑设计及其储能机制研究

研究内容：铝电池在候锂电池中具有特别的吸引力，铝的高稳定性和易处理性显著提高了铝电池系统的安全性。可靠的正极材料对电池的整体能量密度和更广泛的应用潜力至关重要。由于铝离子的强极化，正极材料在循环过程中非常容易导致结构破坏，针对该问题拟开展寻找合适的正极材料以保证铝离子可逆的嵌入和脱出等研究工作。拟开展研究如下：（1）进一步总结高稳定性铝电池正极的设计策略；（2）多种原位表征及非原位表征结合理论计算，研究材料在充放电中的演化机制，揭示其储铝性能高稳定的内在原因。

预期成果：（1）设计合成新型铝电正极材料，实现构建高稳定性的铝电池器件；（2）阐明新型铝电正极材料的构-效关系，为新型正极在铝电中的应用提供理论指导。

考核指标：（1）设计合成2个以上的新型高稳定性铝电正极材料；（2）发表SCI论文至少3篇。

题目五：高质量硒化锑薄膜制备及其光伏器件研究

研究内容：针对硒化锑（Sb₂Se₃）薄膜中存在的高浓度深层缺陷，如硒空位（V_Se），以及低掺杂浓度（约10¹³cm^-3）从而导致的开路电压偏低（仅0.52 V）的问题，本课题致力于设计和制备高性能的Sb₂Se₃薄膜，并深入探索其在光电器件中的应用潜力。本研究的重点在于通过原位精准可控硒化和掺杂以实现Sb₂Se₃薄膜的生长与制备，力求获得同时具备低缺陷浓度和适度掺杂的薄膜低成本制备工艺。为高效硒化锑薄膜太阳能电池的制造奠定坚实的基础，提高光电转换效率，并推动该材料在可再生能源领域的实际应用。通过材料制备工艺的改进和优化，期望能够显著提升薄膜的光电性能，为相关领域的科研与应用提供新的发展契机。

预期成果：（1）设计多功能化的Sb₂Se₃薄膜制备设备，实现高质量Sb₂Se₃薄膜硒化及其掺杂的制备；（2）通过优化设备，实现薄膜的快速均匀沉积，提升材料的纯度和均匀度，显著改善Sb₂Se₃薄膜的光电性能；为进一步研究和开发高效能光电器件奠定坚实基础，推动该领域技术的前沿发展。

考核指标：（1）设计并组装一套原型装置，实现原位精准可控的硒化和掺杂Sb₂Se₃薄膜制备。（2）制备的Sb₂Se₃薄膜光电转换效率提高至10%以上。（3）发表SCI/ESCI论文3篇，共同申请专利1项，联合培养研究生1名。

5生物医学光子学研究方向

题目一：用于快速检测细菌的不同生长时期的荧光探针开发

研究内容：细菌感染能够诱导各种重大疾病甚至致人死亡，严重威胁着全球公共安全。控制细菌感染的有效方法是快速将这些细菌分类鉴别，并快速识别细菌所处的生长阶段，选择合适的药物进行治疗。细菌的生长过程分为四个时期：迟缓期、对数期（指数增长期）、稳定期和衰亡期。当前，医院对于细菌所处的生长时期的常规检测方法存在步骤繁琐、耗时的缺点，并且在实验中经常会出现假阳性或假阴性结果。因此，当前急需研发快速、准确区分细菌所处时期的检测方法，以利于预防疾病及公共卫生突发事件的发生。

预期成果：开发出多种用于快速检测细菌的不同生长时期的高灵敏荧光探针。

考核指标：（1）开发出用于快速、方便、灵敏、实用的检测细菌不同生长时期的荧光探针。（2）发表SCI/ESCI论文2-3篇，或者共同申请专利1-2项。

题目二：全飞秒激光角膜屈光手术装置的治疗参数优化

研究内容：全飞秒激光角膜屈光手术作为国际上最先进的角膜屈光手术模式，其安全性与精确度得到了重大提升。然而，长期以来，该领域被欧美企业所垄断。本团队经过多年努力，成功研发全飞秒激光角膜屈光手术治疗机。现阶段，该治疗机已经进行了大量离体猪眼和活体兔眼手术，获得稳定的实验结果。但是，动物眼角膜与人角膜在角膜厚度、组成成分、以及生物力学等各方面有显著差异，难以直接从动物角膜结果直接推断到人角膜。因此，进行捐献遗体角膜的飞秒激光屈光手术实验对于优化飞秒激光参数和扫描参数，提高临床手术效果具有重要意义。针对上述问题，在捐献的遗体角膜开展飞秒激光屈光手术实验，优化飞秒激光治疗参数，提高临床手术效果。

预期成果：在捐献的遗体角膜上开展半飞秒和全飞秒术式；以飞秒激光爆破的气泡细密度、瓣膜剥离难易程度、透镜完成度，以及角膜基质和透镜的粗糙度等为有效性评价指标，优化飞秒激光治疗参数（飞秒激光参数和扫描参数等）。

考核指标：（1）建立在人角膜上有效的飞秒激光单脉冲能量和扫描参数。（2）发表SCI/ESCI/国际会议论文2-3篇，或者共同申请专利1-2项。

题目三：用于辅助脑胶质瘤早期诊断与治疗监测的新型光学液体活检技术开发

研究内容：脑胶质瘤是成人最常见、最恶性、最致命的原发性脑肿瘤。脑胶质瘤的早期诊断及治疗监测是临床上迫切需要解决的难题。目前脑胶质瘤主要是通过神经成像技术(例如磁共振成像(MRI)或计算机断层扫描(CT)和组织样本来进行诊断和监测，神经成像技术虽然无创，但很难提供直接、明确的诊断，而组织样本的诊断，虽然可以为肿瘤诊断的直接证据，但因为其创伤较大，且存在较高的手术风险，很难实现对脑胶质瘤早期诊断和实时监测。光学液体活检技术在胶质瘤的早期诊断及治疗监测上有巨大潜在优势，可能解决这一难题，但仍然亟需进一步的研究和验证，以实现脑胶质瘤的早期诊断及治疗监测，进而提高患者的治疗效果。

预期成果：开发出临床上实用、微创、准确的光学液体活检新技术用于脑胶质瘤患者早期诊断和治疗监测。

考核指标：（1）开发出一种实用、灵敏、准确、微创的人脑胶质瘤液体活检新技术。（2）发表SCI论文2-3篇，申请专利1-2项。

题目四：用于微创病理标本诊断中标记线粒体DNA基因变异的荧光探针

研究内容：癌症是全球主要的死亡原因之一，分别占全球新发与死亡病例的23.7%、30.1%。组织病理学诊断是肿瘤诊断的金标准，主要依赖于组织形态学诊断，但在微创病理标本由于样本更小、更少、更碎，病理形态识别能力严重受限。组织瘤变标记物如P53、YAP1等免疫组化检测辅助诊断的灵敏度较为有限。线粒体DNA（mtDNA）的突变和拷贝数变化被认为是多个癌症发生和发展的重要标志，在肿瘤诊断、预后评估、疗效预测和液体活检中均有重要作用。目前常用PCR或测序方法检测，线粒体基因组变异有杂质性，上述方法具有较多局限性。

预期成果：开发出可标记线粒体DNA（mtDNA）基因变异的多个高特异性及灵敏度的荧光探针，用于微创病理标本的良恶性病理诊断。

考核指标：（1）共同申请专利1-2项。（2）发表SCI/ESCI论文2-3篇。

题目五：实时3D磁共振和柔性光纤引导的室性心动过速激光消融

研究内容：导管消融是目前最有希望根治室性心动过速（VT）的方法之一。诱发VT的“病灶”的大小和位置的精确确定以及导管至VT“病灶”的准确定位是确保导管消融成功率的关键。然而，现有的常规电生理标测仅能识别位于心内、外膜表面上的“病灶”，且分辨率较低。此外，操作者在术中凭经验和记忆将导管移动至术前通过电生理测量确定的VT“病灶”，忽略了术前和术中病人的位移以及术中呼吸与心跳的影响，导致难以将导管精确定位至VT“病灶”。以上原因导致真实的VT“病灶”被遗漏或健康的组织被破坏，使得当前VT导管消融的成功率较低、复发率较高，严重影响了导管消融治疗VT的效果。

三维高分辨率延迟增强磁共振成像可用于辅助电生理标测确定位于心肌表面与内部的VT“病灶”，提高VT“病灶”检出率。激光消融能精准破坏VT“病灶”而不影响健康组织。在术中，三维柔性光纤可为操作者实时提供消融导管的位置信息，实时磁共振成像可用于获取心脏3D结构图像并通过计算获取心脏的运动（移动，呼吸，心跳）信息，该运动信息可用于对导管位置进行实时校正，提高导管定位至VT“病灶”精度。因此，本项目旨在开发基于实时3D磁共振和柔性光纤引导的VT激光消融方法，以提高VT导管消融的短期和长期成功率。

预期成果：开发出能精确确定VT“病灶”和能实时对消融导管位置进行准确校正的VT激光消融系统。

考核指标：（1）能检测大于等于1.5x1.5x1.5 mm³大小的VT“病灶”，消融导管定位误差小于3 mm，且延迟低于0.1 s。（2）发表SCI论文2-3篇，或者共同申请专利1-2项。

二、研究期限和资助额度

本年度计划支持开放课题研究期限为3年，每项资助额度8万。

三、申请人资格

申请人为国内高等学校、科研院所等企事业单位在编员工（非国家重点实验室人员），具有博士学位或中级以上职称，且在本指南相关领域已积累良好的前期研究基础。

已承担在研开放课题、未按期或未按原计划完成项目的负责人当年度不能提交新申请。

四、申请受理

申请者须按规定格式如实填写《武汉光电国家研究中心开放基金课题申请书》（模板见附件），并于2025年1月10日前将申请书电子版（命名格式：姓名+单位+开放基金申请书）发送至邮箱dcc@hust.edu.cn，同时由申请人签名并经所在单位同意加盖公章的纸质版须请研究中心合作者签字确认后代交到武汉光电国家研究中心C616办公室（一份，正反打印），逾期不予受理。

申请的项目由武汉光电国家研究中心审查，并由学术评议委员会审议批准，评审结果将在武汉光电国家研究中心网站公布，同时通过邮件通知申请人。

五、其它事项

项目申请、经费使用、成果管理等需遵守《武汉光电国家研究中心开放基金课题管理办法》的规定。发表SCI/ESCI论文署名须标注华中科技大学武汉光电国家研究中心（Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China），同时标注武汉光电国家研究中心开放基金NO.XXXX资助（Supported by the Open Project Program of Wuhan National Laboratory for Optoelectronics NO.XXXX）。没有上述标注的论文不得算作结题成果。递交的专利申请需要有申请号，已授权的专利申请需要有专利号，至少有一个发明人是该课题的负责人，且其第一或第二职务发明单位必须是华中科技大学。不满足上述条件的专利申请不算作结题成果。

六、联系方式

联系人：董老师

电话：027-87793063

邮箱：dcc@hust.edu.cn

通讯地址：武汉市洪山区珞喻路1037号华中科技大学光电信息大楼C616

附件：

《华中科技大学武汉光电国家研究中心开放基金课题申请书》

《武汉光电国家研究中心开放基金课题管理办法》