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伴随科学技术和工业生产的快速发展，自旋电子器件将引领信息存储和计算的新革命，与自旋电子器件相关的基础研究逐渐成为前沿领域。二维材料的低维性不仅为研究电子的自旋特性提供了物理学基础，也为器件的微型化和高集成度提供了便利。在过去几十年间，关于自旋及其量子效应的研究主要基于三维材料或二维理论模型，对真实二维材料中的自旋特性及其量子效应的认识存在较多不足，极大地限制低维自旋电子器件的研发。能否基于实验可制备的二维材料，深入理解自旋自由度及其量子效应，是实现自旋电子学应用于信息技术革命的重要物理基础。该项目经过十年努力，系统研究了二维材料的自旋特性及其量子效应，基于二维材料在掺杂、应力、电场和层堆叠调控下的拓扑量子相变、Rashba效应和多铁性，使二维材料的自旋自由度及其量子效应得到充分认识。能够针对自旋电子器件的特定候选材料，优化和调控其自旋特性。在研究二维材料的自旋自由度及其量子效应的过程中，项目还建立了基于vanHove奇异性的高效“自旋-电荷”转化模型，为调控实际自旋电子器件的性能提供了理论依据。该项目依托2项国家自然科学基金项目（“复杂氧化物界面新奇电子态的起源及调控”NO.61366007；“二维材料中带电点缺陷的理论研究”，NO.61751405）和云南省重大科技专项子课题（“稀贵金属材料高通量集成计算和数据分析技术及示范应用子课题”NO.2019ZE001-1，202002AB080001-6，2018IC058），重要科学发现如下： 1.提出了基于自旋布居的磁性二维半导体分类标准。利用掺杂、吸附和外加应力等方法，在本征非磁性二维材料中引入自旋极化态。通过对自旋极化态的深入研究，总结出获得多样自旋极化特性的外部调控方法，据此提出基于自旋布居的磁性二维半导体分类标准。这些研究结果，对于在本征非磁性二维材料中引入匹配实际需求的自旋特性，具有重要的理论价值和实验依据。基于上述研究结果，共发表SCI论文4篇，累计他引123次。 2.实现了范德瓦尔斯堆叠调控二维材料的自旋量子效应。基于二维材料的低维性和层间范德瓦尔斯作用，通过表面官能化可在二维材料中实现拓扑量子相变。二维材料的拓扑量子效应，是未来低能耗器件的物理学基础。项目的相关研究结果，对实际操控基于拓扑量子效应的自旋电子器件具有重要参考价值，也为研发低能耗自旋电子器件提供了候选二维材料。上述研究结果，共发表SCI论文5篇，累计他引29次。 3.利用外场效应有效调控Janus二维材料的多铁性和Rashba效应，将多铁二维材料拓展至具有vanHove奇异性的非磁性Janus二维材料。对于一种特定材料，同时具有铁电性和铁磁性被认为是极难实现的。该项目通过构造Janus二维材料，获得自发电极化和Rashba类型的自旋劈裂。利用外场效应，实现电极化和自旋劈裂的有效调控，以及较高的“自旋-电荷”转化效率。基于vanHove奇异性，静电栅极掺杂可在一种材料中同时实现电极化和自旋极化。这意味着，可以运用外加电场，基于“自旋-电荷”耦合机制，实现对特定二维材料自旋特性的有效调控。 基于上述研究结果，共发表SCI论文5篇，累计他引203次。此外，该项目在开展过程中受到教育部“新世纪优秀人才支持计划”和“云岭学者”培养工程等项目的经费支持。研究成果共发表SCI论文14篇，其中NatureIndex期刊收录3篇，中科院1区1篇、2区5篇（采用论文发表年的中科院分区）。研究成果累计他引355次，其中包括Nat.Rev.Phys.、Chem.Soc.Rev.、Appl.Phys.Rev.、Adv.Mater.、Angew.Chem.Int.Ed.、NanoLett.、Phys.Rev.B等本领域权威期刊，以及Novoselov,K.S.（2010年诺贝尔物理学奖获得者）、Ciraci,S.（计算凝聚态物理权威专家）、Zeng,Haibo、Pumera,Martin（二维材料权威专家）等知名学者的正面评述，充分体现项目研究成果在本领域的学术价值。

基于饸基材料的铁电场效应晶体管(FeFET)可以同时实现超低功耗陡峭亚阈值摆幅逻辑器件与非易失存储芯片，加速突破铅基FeFET核心技术是推动高端集成电路发展的重要途经。铝基FeFET器件长期面临两大科学瓶颈：1)器件性能调控路径和核心机制不明确，2)铁电极化反转耐久性(直接决定器件可靠性)提升方法和物理本质不清晰，进而影响了给基铁电场效应晶体管性能提升与芯片发展。 该项目团队针对以上两大瓶颈，在国家自然科学基金重大研究计划、杰出青年基金、优秀青年基金、重点项目和国家重点研发计划等项目支持下，原创性揭示了负电容场效应晶体管(NCFET)基本器件特性与核心机制，为超低功耗陡峭亚阈值摆幅铁电器件发展奠定了重要基础；揭示了氧空位(V₀)产生及其分布规律，成功突破了给基铁电材料和器件极化耐久性难题。该项目团队在微电子主流会议和期刊发表文章422篇，出版两部中文专著，两部英文专著章节，授权发明专利85件。谷歌学术引用7015次，国际会议邀请报告及综述31次。该项目牵头人韩根全为西安电子科大学二级教授，国家杰青，重要参与人刘艳为长江学者特聘教授。 该项目科学发现一(集成电路科学与工程)：首次实验发现了NCFET中的电容尖峰和负微分电阻效应，并阐明了负电容效应的核心机制为偶极子不完全反转，从而引领了NCFET的进步与发展。 NCFET采用铁电材料做栅介质，如果铁电栅介质电容(CFE)<0，则可突破玻尔兹曼限制，实现小于60mV/decade超陡峭亚阈值摆幅，而根据L-K铁电理论，CFE确实可以为负值。但是，负电容效应直接实验证据，以及引起负电容效应的铁电极化机制不明确。这严重制约NCFET性能调控和电路级设计应用。该项目从“工艺-材料-器件-机理”跨层次全面创新和优化工艺，突破了核心器件技术。2016年，该项目首次实验证明NCFET电容尖峰现象和负微分电阻效应(NDR)，并系统性揭示了负电容效应对晶体管电流、跨导和亚阈值摆幅的提升作用。栅极电容尖峰效应直接证实负电容效应导致的栅极电容增益能力，NDR是负电容效应产生过程中极化电荷迁移所导致的，通过建立NDR调制理论，该项目构建了NCFET的短沟道效应免疫力提升方法，根本性的突破了NCFET逻辑电路设计的瓶颈性障碍。上述结果在后续研究进程中，被视为器件模型完善的关键实验依据，突破了电路级设计应用瓶颈。 该项目科学发现二(集成电路科学与工程)：揭示了HfZrO₂铁电中V₀面内扩散和界面注入是决定极化疲劳和恢复的核心物理机制，建立了Vo生成和扩散的极化微观模型，成功揭示了极化唤醒和疲劳现象的机理。发明了一种高耐久性HfO₂-ZrO₂超晶格铁电新材料，可有效调控V₀扩散行为，使极化反转耐久性提升至5×10¹²次的领先水平，为铪基铁电材料与器件的应用奠定了重要的科学基础。 给基铁电材料极化反转疲劳和恢复过程中V₀缺陷扮演了重要角色，但是其作用机制和动力学过程不清晰。该项目基于理论建模和实验测试深入开展了系统研究，阐明材料中V₀缺陷相关物理过程，揭示V₀的面内扩散与界面注入是影响铪基铁电极化反转耐久性的核心机制，并建立介观相场模型，澄清了V₀对铪基铁电起源的关键作用，有力推进铪基铁电材料与器件性能调控理论和技术发展。进一步通过物性表征和第一性原理理论计算，证明随着疲劳-恢复循环，V₀的稳定性增强，可实现铪基铁电材料的无限耐久性。该项目对疲劳-恢复特性物理机理的研究，解决了长久以来关于铪基铁电材料中唤醒、疲劳效应等非理想特性来源不明确的难题，为推进铁电存储器实用化提供重要理论和实验证据。 该项目发明了一种高耐久性HfO₂-ZrO₂超晶格铁电材料结构，大幅提升铪基铁电材料与器件耐久性和极化疲劳恢复能力。HfO₂-ZrO₂超晶格铁电极化反转单次疲劳极限为5×10¹²次以上，世界上首次达到片上内存的耐久特性要求。建立密度泛函模型，计算显示超晶格对耐久特性的提升，与其提高V₀面内迁移势垒，有效限制V₀的移动直接相关。该项目所发展的超晶格材料在有效限制V₀扩散移动以及在界面层的俘获过程的同时，保留了HfZrOₓ的铁电特性，而且耐久性提高了10000倍，为铪基铁电存储器件的产业应用铺平了道路。 该项目相关结果得到了国际同行的高度评价。Dimitri Antoniadis(美国工程院院士、MIT教授)和Sayeef Salahuddin(IEEE Fellow，NCFET提出者)发表铁电逻辑器件紧凑模型，将该项目工作作为关键实验依据。Thomas Mikolajick教授(HfO₂基铁电材料发明者、IEEE Fellow)发表论文，将该项目结果作为提升HfO₂基铁电耐久特性的重要实验和理论证据。UC Berkeley、MIT、德国NamLab、普渡大学、乔治亚理工、东京大学、台湾大学、英特尔、TSMC等学术界和工业界一流研究机构，广泛引用该项目工作。国内外科研论文将该项目研究结果作为典型数据评述和对比超过200次。

该成果针对微电子领域半导体技术快速发展，集成电路中的晶体管数目不断增加，使得沟道长度不断缩小的问题，原子层沉积技术成为制备高介电栅介质层的不二之选，已成为半导体研发生长中的一个重要技术。该成果为小型化原子层沉积设备，可用于新材料的研发，也适用于高校课程使用。 技术指标：1.反应腔内径5cm，长100cm；2.包含5路前驱体，其中2路为可加热源；3.生长温度为室温至500℃。 成熟程度：技术成熟度5级，可开展合作开发。 应用前景：成果可应用于微电子、光电子、光学、纳米技术、微机械系统、能源、催化、生物医用、显示器、耐腐蚀及密封涂层等领域。

本项目首次进行了甘肃省舟曲县和迭部县引水式电站对生态环境的影响研究，研究发现已建成的引水式电站普遍存在下泄水量不够、甚至减水河段干枯，对水生生物的生存造成了很大的影响。首次在国内进行了第二生态系统恢复示范工程研究。结果证明，在减水河段修建梯级水潭、投放减水河段上游鱼类方法，能有效的恢复减水河段水生生物的生境。首次研究提出了引水式电站的环境监管技术与规范，设计提出了在拦水坝加装下泻水量监测装置、在引水口安放拦鱼网等技术方法，并从环境管理角度研究提出了引水式电站的环境监管技术规范，为环境管理提供了技术支撑。经甘肃省科技厅组织鉴定，该科技成果达到了国内同类研究的领先水平。

为开发洪湖生物资源，探索大水面新的养殖途径，1979年洪湖市水产技术推广站首先在洪湖进行网圈养草鱼试验，平均亩产鱼132.2公斤。1985年省、县水产局与王岭渔场设竹箔圈114亩，市水产技术推广站与太马湖渔场设卡布圈10亩分别进行养鱼试验，平均亩产分别为248.5公斤和233.2公斤。1986年洪湖市科委与市水产技术推广站协作，承担省科委关于洪湖大面积网圈养草食鱼攻关试验，50亩面积平均亩产鱼254公斤；同时国家科委将王岭渔场500亩竹箔围圈养鱼列入“星火计划”产鱼11.5万公斤，亩均产225公斤。通过试验研究出一套技术先进、简易可行，从围养区选择、围圈材料安装、鱼种放养、饲养管理到成鱼捕捞比较完整的围圈养鱼技术，最高亩产已达到632公斤。该成果于1986年11月通过省级鉴定并迅速在洪湖、长湖和宝安湖推广应用，1988年该市在洪湖围圈养鱼面积已发展到8968亩，从事围圈养鱼的渔民达492户。

稻田养鱼是该省稳定粮食生产、增加农民收入的重要农技推广措施。为充分利用该县丰富的稻田资源，提高稻田养鱼单产和经济效益，增加农民收入，该县组织实施了千亩稻鱼工程高产示范。通过一系列科技和保证措施，较好完成计划，全县共完成稻鱼工程高产示范1384亩，占州计划数的134.8％，比1999年的562亩增加786亩，参与农户974户。经测产验收，水稻单产508公斤，比不养鱼稻田增产20公斤；鲜鱼单产122.7公斤。1384亩稻鱼工程总产鲜鱼165399.6公斤，增产稻谷26960公斤。共新增产值1680956元，农民新增纯收益1288716元。主要科技措施：一、典型引路，狠抓连片示范点；二、因地制宜，分类指导；三、强化服务，提高科技含量；四、主要种养技术措施到位；(一)养鱼技术：按稻田面积的20％开挖鱼沟鱼凼；加高加固田埂；安置进排水口及拦鱼栅；合理放置鱼种；定点、定时、定质、定量投喂饲料；加强管理，保持水质肥、活爽，做好防病、防逃工作；适时捕捞上市，提高经济效益。(二)稻谷增产技术：选用良种，培育壮秧；适时移栽；精细整田，施足底肥；合理密植，及早化除和追肥；病虫防治；十黄九收。

该成果利用脉冲激光沉积技术，在1250℃温度下，把氧化锆和氧化铝粉末经球磨混和后，再冷压成型为圆片，然后烧结6小时得铝酸锆陶瓷靶材，在生长室中引入氮气，使氮元素在薄膜中的原子百分比浓度为6％，氮原子的结合能是404.1eV，高氧化态，进而可得氮铝酸锆薄膜。该材料的性能指标已经达到国际上同行得到的高介电栅电介质材料研究的较高水平，同时也可满足功耗要求不高的半导体中场效管的实际应用要求。

HGL-IGA型电赶、拦鱼机负载能力强、耗电省、适应范围广。其水下电极短路自动保护装置及整机采用高质量的电子元器件，使机器长期连续工作性能稳定、操作简易、安全可靠。成果所处阶段及技术现状：该机通过鉴定，鉴定认为“电赶、电拦鱼结合，一机两用系国内首创，整机技术指标和技术性能达到国内电渔设备最先进水平”。该机曾获水利部科技进步二等奖，中国专利局授予专利权。近几年已在全国20个省、市、自治区的一些大水面渔业生产单位应用，成效显著。实践表明，电赶捕捞机输出的高压脉冲电所建立的水上电场强、电场范围较宽、封闭性能好，拦阻效率高。具有省工、省力、省时的特点，明显提高了起捕率和水上作业的安全性。 水库、湖泊、灌溉渠、水电站等养鱼水面进行电赶捕捞和电拦防逃以及渔场清理鱼池的设备

该设备将普通的220伏交流电通过机器提供高压脉冲电建立水下电场驱赶鱼群进网和拦阻各种鱼类外逃。脉冲频率2-15秒；脉冲宽度大于0.4毫秒；输出脉冲幅度600-1000伏；消耗电源功率不大于3千瓦；水下电极短路有自动保护装置；适应电源电压220伏±10％交流电。该设备在全国20多个省、市、自治区一些水利渔业生产单位应用，效果明显，开展电赶捕捞和电拦鱼防逃，均取得较高的经济效益和社会效益。

该产品是一个以步进电机单相绕组作为驱动对象的斩波恒流型步进电机驱动电路，其输入端接步进电机控制器的某一个轴的某一相输出，输出端接步进电机的该相绕组的两端；当输入信号为恒低电平时，该相绕组没有电流通过；输入信号为恒高电平时，该相绕组只有一恒定的小电流(半电流)通过；输入信号为高低电平变化的脉冲信号时，该相绕组有一恒定的大电流通过，其电流大小由步进电机控制器输出信号控制。主要技术指标：采用积木式结构，以步进电机上绕组作为驱动负载，可配接任意相数的步进电栅；可由步进电机控制器控制通过步进电机绕组的电流；全部采用脉宽调制技术，矩频特性好，功耗低、效率高；输入信号全部光电隔离，抗干扰性好，对用户系统无干扰；具有过流、过热等保护，提供报警输出及各种状态显示；提供低功耗(半电流)锁定，可以与各类国产、进口电机配套使用。