专家视点

3 面向通用计算的规模化集成光子加速器

人工神经网络的快速发展带来算力需求的爆发式增长，光计算作为一种新型的计算范式，具有大带宽、低延时、低功耗等显著优势，被认为是“后摩尔时代”解决算力与功耗问题最具潜力的途径之一。虽然在理论上存在巨大的优势，但是光计算一直面临集成规模小、芯片算力低、算法兼容性差等难题，限制了光计算芯片的实际应用和部署。

中国科学院半导体研究所李明研究员在最新出版的《半导体学报（英文）》2026年第6期上发表News and views文章“Large-scale integrated photonic accelerators for ultralow-latency and universal AI computing”，简短评论了Lightelligence和Lightmatter在《Nature》期刊背靠背发表的两项工作。

新加坡Lightelligence公司提出64×64规模的光子计算处理器（PACE），单片集成超过16000个光子元器件，并通过2.5D封装实现光芯片和电芯片之间的高密度互联，芯片算力达到8.19 TOPS。芯片在计算延迟方面展现出突出优势，相较于NVIDIA A10 GPU，在求解伊辛问题时计算延迟降低了两个数量级。美国Lightmatter公司提出通用光子AI处理器，采用3D封装工艺集成4个128×128的光子张量核心和2个数字控制核心，芯片算力达到65.5 TOPS。研究团队基于该芯片演示了对ResNet18、BERT-Tiny等通用人工神经网络模型以及生成式语言模型的支持，验证了光计算在实际应用中的可行性。这两项工作通过规模化集成和先进光电封装，在芯片规模、算力、算法及应用等方面取得突破性进展，极大推动了光计算芯片的实用化进程。

图1. Lightelligence PACE（a）和Lightmatter通用光子AI处理器（b）的结构示意图和实物照片。

文章信息：

Xiangyan Meng, Junshen Li, Kangwei Fei, Yu Wang, Wei Li, Nuannuan Shi, and Ming Li

J. Semicond., 2026, 47(6): 060401 doi: 10.1088/1674-4926/26020057

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4 一维畴壁：铁电纳米电子学新维度

铁电材料是下一代纳米电子器件的核心候选材料，其内部存在大量可在外电场作用下翻转的自发极化单元。这些极化单元会自发聚集形成取向一致的区域，即铁电畴，而分隔不同极化取向铁电畴的界面便是铁电畴壁。凭借区别于材料体相的独特电学、拓扑特性，铁电畴壁催生了“畴壁纳电子学”这一新兴范式，即畴壁本身即器件，但是此类结构的维度限制始终是进一步微型化的主要瓶颈。在传统钙钛矿型铁电材料中，畴壁本质上是二维片状结构，虽然中性畴壁可以达到原子级薄度，但是为了稳定带电畴壁的高导电性，通常依赖于扩散性的电子云进行屏蔽，导致畴壁厚度显著展宽至数纳米。这种尺寸限制阻碍了高密度铁电存储器的进一步微型化，长久以来，如何在保持稳定性的前提下将这些导电通道限制在极致的一维空间内，成为铁电领域亟待攻克的主要难题。

山东大学集成电路学院李阳教授与济南大学信息科学与工程学院岳文静副教授合作，在最新出版的《半导体学报（英文）》2026年第6期上发表News and Views文章"One-dimensional domain walls: A new dimension for ferroelectric nanoelectronics"。该文章深度解读了中国科学院物理研究所金奎娟院士团队在萤石结构二氧化锆（ZrO2）铁电体中观测到原子级一维带电畴壁的突破性成果。该成果攻克了传统铁电拓扑结构长期存在的维度瓶颈，揭示了萤石系铁电体独特的离子屏蔽新机理，改变了该领域对高电荷密度原子级拓扑结构稳定性的固有认知，极大丰富了铁电物理、拓扑材料的理论体系。

该研究团队利用亚埃级分辨率的多层电子叠层成像技术（MEP），首次清晰观测到嵌入二维极性层中的“头对头”（H-H）和“尾对尾”（T-T）带电畴壁。定量测试结果显示，这些畴壁的宽度和厚度上都具有原子级尺寸（约2.55-2.7 Å），相当于一个亚细胞单位，证实了其真正的一维特性。这一发现颠覆了过往的理论预测，即学界曾认为原子尺度的高电荷密度拓扑结构会因能量过高无法稳定存在，而该实验证明一维带电畴壁可长期稳定存在。

随后该研究进一步揭示了该一维带电畴壁独特的离子屏蔽机制。与钙钛矿中依靠自由电子/空穴的扩散性屏蔽不同，ZrO2畴壁处的束缚极化电荷是通过局部的氧非化学计量比实现自平衡补偿：H-H畴壁富集氧离子，而T-T畴壁则容纳氧空位。这种局域化的离子补偿机制有效抑制了由电子屏蔽引起的结构展宽，确保了畴壁的原子级锐度。同时除静态结构表征外，该团队还展示了这些一维结构的动态操控能力。借助原位差分相位衬度扫描透射电子显微镜（IDPC-STEM）施加外电场，他们实现了对H-H带电畴壁的直接操控，揭示了极化翻转与氧离子传输之间的微观耦合机制。最后为验证实际应用价值，团队制备了铪锆氧化物/锰酸锶镧（HZO/LSMO）异质结，实验数据显示该体系的室温氧离子电导率超过10^-6 S/cm，优于氧化锆（YSZ）等传统固体电解质。

该成果攻克了传统铁电拓扑结构长期存在的维度瓶颈，揭示了萤石系铁电体独特的离子屏蔽新机理，极大丰富了铁电物理、拓扑材料的理论体系。后续研究可重点探索分段式铁电体系中一维拓扑缺陷的普适性，这类拥有独立极化微单元的材料，有望持续拓宽铁电纳米电子学的材料选择范围。在后摩尔时代，该系列研究将摆脱传统半导体器件的尺寸桎梏，为下一代高密度微电子器件与人工智能硬件的研发筑牢根基，引领纳米电子技术迈入全新发展阶段。

图1. 铁电二氧化锆（ZrO2）中一维带电畴壁的原理、结构与定量表征。（a）维度限域原理示意图。（b）二氧化锆的原子级分辨率多层切片电子叠层衍射成像图与氧原子偏移分布图。（c）原子结构模型，展示被严格限定在极化层内部的一维带电畴壁。（d）（I）投影MEP相位图，呈现头对头型（H-H）带电畴壁；（II）单个头对头型带电畴壁的放大视图及对应原子模型；（III）基于图（d-II）对各个亚晶胞内极化氧原子的偏移量进行定量分析。（e）（I）投影MEP相位图，呈现尾对尾型（T-T）带电畴壁；（II）单个尾对尾型带电畴壁的放大视图及对应原子模型；（III）基于图（e-II）对各个亚晶胞内极化氧原子的偏移量进行定量分析。

文章信息：

One-dimensional domain walls: A new dimension for ferroelectric nanoelectronics

Zepeng Li, Wenjing Yue, Yang Li

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5 用于提升效率的钙钛矿/Cu(In,Ga)Se₂叠层太阳能电池中混合卤素中间体的结晶抑制

柔性轻质光伏是可再生能源前沿技术，可应用于建筑光伏、便携电源、航空航天等领域。钙钛矿/铜铟镓硒（CIGS）全薄膜叠层电池优势突出：CIGS作为窄带隙底电池，稳定性与柔性优异；钙钛矿可制备可调宽带隙顶电池，通过提升混合卤素中溴碘比例，实现光谱优化匹配，进而突破单结电池效率极限。但大气环境下刮刀涂布等规模化制备工艺存在明显瓶颈：混合卤素钙钛矿结晶难以调控，溶剂快速挥发、前驱体溶解度差异大，易引发相分离；环境水汽还会加速无序结晶，最终造成薄膜缺陷多、存在针孔、非辐射复合严重，大幅拉低电池开路电压与填充因子，阻碍技术产业化落地。

南京大学谭海仁教授在最新出版的《半导体学报（英文）》2026年第6期上发表News and views文章“Crystallization suppression of mixed-halide intermediates for perovskite/Cu(In,Ga)Se₂ tandem solar cells with improved efficiency”，简短评论了浙江大学薛晶晶教授团队最近在《Nature Energy》上报道的一项工作。该团队摒弃传统溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），选用2-吡咯烷酮（PDI）优化溶剂体系，利用PDI分子N-H基团与卤化物形成的氢键作用，打破传统羰基-铅离子的配位组装，有效抑制中间体预结晶，让前驱体维持均匀非晶态。这一改变使薄膜相变从高能耗的晶态-晶态转变，升级为低能垒的非晶态-晶态转变，从根源上解决了相分离、杂质残留等问题。

微观形貌测试表明，PDI制备的高溴钙钛矿薄膜均匀致密、无针孔；电学测试证实薄膜导电性、载流子迁移率与寿命显著提升，缺陷与非辐射复合得到有效抑制。在器件层面，不同带隙（1.67 eV、1.70 eV、1.73 eV）的单结宽带隙钙钛矿电池效率分别达到23.7%、22.4%、21.0%，证明该策略具备普适性。基于该技术构筑的两端式柔性钙钛矿/CIGS叠层电池，认证光电转换效率高达27.3%，稳态输出效率27.1%，无明显迟滞效应；封装器件长期工作后效率衰减微弱，运行稳定性大幅提升，位列当前柔性钙钛矿基叠层电池顶尖水平。

这一技术完美适配刮刀涂布等量产工艺，工艺简单、成本可控，攻克了大气环境下宽带隙钙钛矿规模化制备的核心难题。此项研究不仅深入解析了混合卤素钙钛矿的结晶动力学机制，也为钙钛矿/CIGS叠层电池走向高效率、高稳定性、柔性化与产业化奠定了坚实基础，助力新一代轻量化太阳能组件全场景落地应用。

图1.（a-b）溴含量30摩尔分数（x=0.30）条件下，分别采用NMP（a）与PDI（b）制备的宽带隙FA_0.8MA_0.2PbI_1-xBr_x钙钛矿薄膜的PL映射图。（c-d）分别使用NMP、PDI制备的钙钛矿薄膜，在气体淬冷过程（c）与热退火过程（d）中的GIXRD监测结果。（e）采用NMP、PDI制备钙钛矿的成核调控原理示意图。（f）热退火过程中，NMP（上方）与PDI（下方）制备的钙钛矿薄膜实物照片。（g）柔性单片式钙钛矿/铜铟镓硒（CIGS）叠层太阳能电池的截面SEM图像；LiF 为氟化锂,C₆₀为富勒烯 C₆₀。（h）最优性能柔性单片式钙钛矿/CIGS 叠层太阳能电池的稳态功率输出曲线；I_max与V_max分别对应最大功率点电流与电压 （i）在 45 ℃、AM1.5G标准光照（1倍太阳光强）持续照射下，钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池的MPPT测试结果。

文章信息：

Manya Li, Linjing Jing, Hairen Tan

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