研在合工大 | 矿床、探测与材料领域新进展

目录

1. 斑岩型铜金矿床研究领域

2. 量子精密测量研究领域

3. 热电材料与器件研究领域
   

01

斑岩型铜金矿床研究领域

资源与环境工程学院周涛发教授团队联合瑞士日内瓦大学、澳大利亚塔斯马尼亚大学等单位在国际著名期刊《地球与行星科学快报》（Earth and Planetary Science Letters）上发表了最新研究成果，提出了一种全新的“流体驱动自氧化（fluid-driven auto-oxidation）”机制，为解释斑岩型铜金矿床形成过程中岩浆氧逸度升高提供了新的理论框架。

斑岩型铜金矿床是地球上最重要的金属矿床类型之一，贡献了全球约75%的铜和20%的金。由于其在资源供给与经济发展中的关键地位，揭示其成矿机制一直是国际矿床学研究的前沿课题。长期以来，研究者普遍认为斑岩型铜金矿床的形成与岩浆的氧逸度（即岩浆的氧化程度）密切相关。然而，斑岩岩浆在演化过程中为何氧逸度升高、其内在驱动力是什么，一直是学术界关注的焦点问题。

研究团队以全球典型斑岩型铜金矿床的成矿岩浆岩为研究对象，选取对岩浆氧逸度和含氯流体极为敏感的角闪石作为研究载体，通过系统的矿物化学分析，发现角闪石的Cl、Cu含量、Mg2（氧逸度）在岩浆演化过程中呈现出紧密的耦合关系：当岩浆开始析出富氯流体时，体系的氧逸度显著升高，同时，早期结晶的硫化物被氧化分解，释放出其中的铜、金等金属进入流体相。这一过程表明，岩浆无需外部流体输入，也可通过自身流体的出溶实现氧化增强，即所谓的“自我氧化”。

同时，这一机制也为解释不同类型斑岩铜金矿床的成因差异提供了新思路：侵位较深、氧逸度更高的岩浆系统更易形成富铜斑岩型铜金矿床，而侵位较浅、中-高氧逸度的岩浆系统则倾向形成富金斑岩型铜金矿床。此外，本研究还指出，成矿岩浆岩记录的氧逸度并不代表其原始岩浆的氧化还原状态。该成果为斑岩型铜金矿床的成因研究及构建更加科学的成矿模式提供了新的视角，完善了斑岩型矿床的理论体系，对深入理解岩浆中金属元素的运移、氧化还原状态及热液成矿过程等具有重要的科学意义和应用价值。

资源与环境工程学院王世伟副教授为该论文的第一作者和通讯作者，合肥工业大学为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目及国家重点研发计划的联合资助。

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02

量子精密测量研究领域

物理学院量子精密测量实验室陈冰教授团队在量子精密测量领域连续取得突破性进展，为高精度矢量磁场探测和微米级分辨率磁成像提供了创新解决方案。相关成果发表在国际著名学术期刊《Nano Letters》上。

1.革新微纳尺度矢量磁场探测方法

传统基于NV中心的磁场测量多依赖自旋相干操控（如Ramsey干涉），但在强噪声环境或短相干时间下，灵敏度和稳定性显著受限。团队创新性地将耗散自旋动力学引入磁场测量，提出了一种基于耗散自旋动力学的矢量磁场检测新方法。该方法利用光泵浦和自发辐射驱动的非相干过程，通过时间分辨荧光信号提取矢量磁场信息，从而在不依赖自旋相干性的情况下实现了磁场强度和方向的高精度定量估计。与依赖相干的传统方法相比，该方案对自旋退相干噪声具有天然鲁棒性。实验上成功实现了磁场强度约1G、方向约1°的探测精度，相对误差仅为0.6%-1.3%，并在强退相干环境下依然保持稳定性能，如图1。

图1.(a) 基于耗散动力学的时间分辨荧光测量原理示意；(b) 通过速率方程模型重建磁场方向与强度；(c) 、（d）实验荧光曲线与理论拟合结果的对比

2.实现微米级分辨率磁成像

团队针对高分辨率磁场扫描的技术需求，提出了一种无需微纳加工的稳健磁探针构建方法。该方法通过结合纳米金刚石中氮-空位色心的量子磁敏感性与锥形光纤的高光子效率，实现了1微米空间分辨率的磁场探测。研究采用光学梯度力将纳米金刚石精确捕获并定位于光纤尖端，随后通过范德华力将其稳定固定，无需复杂的微纳制造工艺。这一技术可拓展用于微小磁结构或微电路的磁场测量，充分利用锥形光纤的集成光子增强效应，实现高信噪比的稳定磁传感，为量子精密测量技术在集成电路与芯片的检测提供了新的思路，如图2。

图2.实现了基于自旋的超高灵敏度和分辨率的量子磁场探测

两项研究分别解决了NV色心量子传感从实验室走向实际应用的不同关键技术瓶颈：耗散动力学方法攻克了复杂环境下矢量磁场测量的稳定性难题，而光纤集成磁探针则实现了高空间分辨率与高灵敏度的兼顾。研究表明，新开发的耗散动力学磁检测方法不仅适用于金刚石NV中心，还可拓展至碳化硅、六方氮化硼等其他自旋缺陷平台，甚至有望应用于生物兼容的荧光蛋白自旋体系，展现出广阔的应用前景。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省科技攻关计划、省重大科技攻关项目、合肥工业大学中央高校基本科研业务费等项目资助。

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03

热电材料与器件研究领域

化学与化工学院刘玉课题组与材料科学与工程学院闫健课题组，联合南昆士兰大学洪敏和浙江大学温州研究院张宇打破中温热电器件的功率密度纪录，在PbTe基热电材料及器件构筑研究中取得重要进展。相关成果发表在国际著名期刊《Advanced Materials》（先进材料）上。

中温余热回收要求材料兼具高功率因子PF与低热导率κ，但电子输运与声子传热强耦合。尽管PbTe具有可调能带和低晶格热导κL，但受限于Na受主固溶度、界面散射不足与高温双极热导κb等瓶颈，其材料优势难以稳定转化为器件端的功率密度与效率。因此，亟需在多尺度微结构上实现宽谱声子散射，并在成分与能带层面协同优化受主浓度与能谷收敛的策略，使材料性能能够以可验证的方式持续映射到器件层面的同步提升。

本研究提出“Na2S协同的微结构-组分共设计”路线：在真空固相熔融-快淬火-热压工艺中，Na2S热分解释放含硫挥发物，原位诱导纳米至微米分级孔结构，同时保留的Na优先进入晶格占位形成受主掺杂，并在晶界处原位生成纳米析出相与高密度位错场。由此构建的“孔-析出相-位错-细晶”多级散射网络显著抑制κL，同时通过L-Σ谷收敛与空穴浓度优化保持超高PF，进而实现电-声输运的解耦。

图1.Na2S协同设计多孔PbTe热电材料：工艺与机理示意、材料的热电性能，以及单对偶器件的功率密度及其与文献的对比

最终，在材料层面，Pb0.97Na0.03Te-1.0%Na2S在823K获得zTmax~2.2，并在623-823K区间实现zTavg~1.9，体现出在中温域的高性能；循环与高温持续运行未见性能衰减，热稳定性良好。在器件层面，基于该材料制备的单腿器件在ΔT=395K条件下实现13.4%的热电转换效率；进一步与N型方钴矿（Yb0.25Co3.75Fe0.25Sb12）集成的单对偶器件在ΔT=375K条件下实现超高功率密度2.2W·cm-2的输出。

图2.硫醇-胺配合物前驱体化学与界面工程协同优化高效SnTe热电材料

此外，在与PbTe同族且同属中温段典型热电材料SnTe体系中，刘玉课题组提出并验证了硫醇与胺配合物驱动的可控前驱体化学与分子级界面工程的协同策略，在溶液体系中实现SnTe纳米晶的规模化制备，并揭示了前驱体化学、表面终止及界面结构对能带调控与声子散射的关键作用机制，从而兼顾载流子输运与晶格热导抑制，推动SnTe在中温热电区间的综合性能提升。相关成果发表于国际著名期刊《ACS Nano》。本研究拓展了团队在近室温Ag2Se体系的调控思路（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 32199-32208），以分子层级可控化学为出发点贯通合成、界面与输运，形成普适性策略范式。以上研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及安徽省留学人员创新重点项目等经费的支持。

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来源 | 资源与环境工程学院 物理学院 化学与化工学院

编辑 | 罗敏

封图 | 陶珊珊

责编 | 卫婷婷 徐晨希

投稿邮箱 | hfutxcb404@163.com

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