南京大學(xué)&清華大學(xué)，聯(lián)手發(fā)了篇Nature

南京大學(xué)2026年正刊統(tǒng)計（通訊作者）：

2026年6月24日，南京大學(xué)化學(xué)學(xué)院徐偉高教授，清華大學(xué)物理系熊啟華教授， 清華大學(xué) 力學(xué)與工程交叉研究院院長高華建院士為論文的共同通訊作者在全球頂級科研期刊《Nature》發(fā)表題為“Optical cooling by interfacial charge transfer in 2D heterostructures”的研究論文。 南京大學(xué)博士生林佳敏、清華大學(xué)博士生項白絮、劉人廣、南京大學(xué)博士生凌巾洋為論文共同第一作者。南京大學(xué)為本文的第一完成單位。

值得注意的是，這是南京大學(xué)2026年度第8篇Nature/Science正刊（通訊作者），也是南京大學(xué)本年度第5篇Nature/Science正刊（通訊作者+第一作者） 。

固體激光制冷技術(shù)為量子材料與微納電子系統(tǒng)提供了一條極具前景的無制冷劑控溫途徑。目前，主流的固體激光制冷機(jī)制主要由聲子輔助的上轉(zhuǎn)換熒光主導(dǎo)。然而，該機(jī)制對材料的要求極為苛刻，必須滿足接近1的外量子效率和接近0的寄生吸收。這些嚴(yán)苛條件此前只在極少數(shù)半導(dǎo)體材料中得以實現(xiàn)，如硫化鎘納米帶和部分鹵素鈣鈦礦晶體。而二維半導(dǎo)體的外量子效率通常不到10%，盡管實驗中觀察到聲子輔助的熒光上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，但尚未有激光制冷的實驗嘗試。

為了突破這一瓶頸，研究團(tuán)隊另辟蹊徑，探索了界面電荷轉(zhuǎn)移作為非輻射熱提取路徑的可行性。研究團(tuán)隊首先提出了界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動激光制冷的實驗設(shè)想（圖1）。在Ⅱ型能帶結(jié)構(gòu)的二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)界面耦合狀態(tài)，在保持高電荷轉(zhuǎn)移效率的同時，引入動量失配條件，在電子給體組分中實現(xiàn)晶格聲子能量提取（表現(xiàn)為表觀電荷轉(zhuǎn)移勢壘）；同時，系統(tǒng)利用界面處的巨大熱阻有效阻斷熱量的回流，實現(xiàn)單向熱流。

圖1 界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動光學(xué)制冷策略及WSe2/MoSe2異質(zhì)結(jié)中WSe2組分的反常聲子布居

在典型Ⅱ型能帶結(jié)構(gòu)二維異質(zhì)結(jié)體系如WSe2/MoSe2中，團(tuán)隊通過干法定點轉(zhuǎn)移技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控層間距與扭轉(zhuǎn)角，成功構(gòu)建了處于“居間耦合（intermediate coupling）”狀態(tài)的異質(zhì)結(jié)。與強(qiáng)耦合和弱耦合異質(zhì)結(jié)樣品不同，處于居間耦合狀態(tài)的WSe2組分在光激發(fā)下，表現(xiàn)出反斯托克斯/斯托克斯拉曼強(qiáng)度比（IaS/IS）顯著下降和熒光譜峰藍(lán)移等低溫光譜特征。這些實驗特征共同指向WSe2組分在異質(zhì)結(jié)中相對于環(huán)境溫度的凈制冷。

為了獲取局域晶格溫度，團(tuán)隊進(jìn)行了系統(tǒng)的拉曼光譜測溫校正、異質(zhì)結(jié)組分溫度測量和環(huán)境依賴的制冷行為研究（圖2），確認(rèn)了異質(zhì)結(jié)層間亞納米尺度上的極高溫度梯度。結(jié)合分子動力學(xué)模擬分析，團(tuán)隊探討了界面熱阻隨層間距的指數(shù)級依賴變化趨勢，為理解微觀耦合態(tài)差異如何協(xié)助維持層間溫差提供了理論參考。

圖2 拉曼光譜測溫方法及環(huán)境依賴的制冷行為

在微觀動力學(xué)機(jī)制方面，跨界面電荷轉(zhuǎn)移是否真實涉及聲子參與是驗證該假說的核心（圖3）。研究團(tuán)隊利用泵浦-探測瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)，對WSe2/WS2體系的超快層間電荷轉(zhuǎn)移與載流子復(fù)合動力學(xué)進(jìn)行了溫度依賴性追蹤。實驗清晰地觀測到，隨著溫度從298 K降至10 K，電荷轉(zhuǎn)移時間由約56 fs增加至114 fs。這一溫度依賴的動力學(xué)行為表明界面電荷轉(zhuǎn)移過程存在表觀能壘，需要消耗聲子（吸收熱量）才能完成。同時，極高的電荷轉(zhuǎn)移效率有效抑制了層內(nèi)熱載流子的非輻射弛豫發(fā)熱。

圖3 不同層間耦合異質(zhì)結(jié)中聲子介導(dǎo)的電荷分離和復(fù)合超快動力學(xué)

與傳統(tǒng)基于熒光上轉(zhuǎn)換的激光制冷機(jī)制不同，界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動的光學(xué)制冷展現(xiàn)出了較高的激發(fā)條件自由度和材料寬容度（圖4）。雙光束擾動實驗和功率依賴測試表明，該機(jī)制不僅擺脫了對精確調(diào)諧共振激發(fā)的依賴，在較寬的波長與功率范圍內(nèi)均能維持制冷效果，且有效繞過了傳統(tǒng)機(jī)制對高外量子效率（PLQY）的嚴(yán)苛要求。即便是在PLQY僅為0.1%左右的化學(xué)氣相沉積（CVD）生長的WSe2樣品中，拉曼光譜仍然呈現(xiàn)了低溫特征。

圖4 界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動光學(xué)制冷的激發(fā)條件和材料容忍度

該研究在二維半導(dǎo)體體系中成功驗證了界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動的光學(xué)制冷作為上轉(zhuǎn)換熒光制冷替代方案的科學(xué)可行性，將熱能提取途徑拓展至非輻射通道，為開發(fā)微納光電與量子器件的無制冷劑熱管理系統(tǒng)提供了新的切入點。

作者簡介

徐偉高，本文通訊作者。南京大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授、博導(dǎo)、國家級青年人才。2013年在北京大學(xué)獲博士學(xué)位，師從張錦院士。2013-2018年在新加坡南洋理工大學(xué)開展博士后研究，合作導(dǎo)師熊啟華教授。2018年入選國家海外高層次人才青年項目，同年加入南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，2019年入選江蘇省“雙創(chuàng)人才”。

致力于新型量子材料設(shè)計與物性探索，在Nature、Nat. Photon、Nat. Commun、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed、 Nano Lett、Adv. Mater等發(fā)表通訊及第一作者論文20余篇，被引3200余次。入職以來，主持國家自然科學(xué)基金重點項目1項和面上項目2項，主持省自然科學(xué)基金2項，代表性成果包括發(fā)現(xiàn)了建立了力學(xué)拉曼散射技術(shù)的理論模型和實驗方法；發(fā)現(xiàn)并揭示了二維半導(dǎo)體中的關(guān)聯(lián)熒光閃爍效應(yīng)等。

熊啟華，本文通訊作者?，F(xiàn)任清華大學(xué)物理系教授，美國物理學(xué)會、材料研究學(xué)會和光學(xué)會會士。2006年于賓夕法尼亞州立大學(xué)獲得博士學(xué)位。 2006-2009年在哈佛大學(xué)從事博士后研究，2009年加入南洋理工大學(xué)，2016年獲聘正教授。 2017年獲得國家特聘專家稱號，2019年初兼聘清華大學(xué)建設(shè)實驗室，2021年初全職加入清華大學(xué)物理系。

高華健，本文通訊作者。現(xiàn)任清華大學(xué)力學(xué)與工程交叉研究院院長、國際力學(xué)、材料和工程科學(xué)領(lǐng)域頂級專家，中國科學(xué)院外籍院士，美國科學(xué)院院士，美國工程院院士，美國人文與科學(xué)院院士，德國國家科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)院外籍院士，英國皇家學(xué)會院士。

高華健1982年獲西安交通大學(xué)固體力學(xué)學(xué)士學(xué)位，1988年獲美國哈佛大學(xué)工程科學(xué)博士學(xué)位。1989年至2023年歷任美國斯坦福大學(xué)教授、德國馬普所所長、美國布朗大學(xué)講席教授、新加坡南洋理工大學(xué)杰出教授。2024年1月全職回國任教于清華大學(xué)。

高華健的研究橫跨力學(xué)、材料、機(jī)械、仿生學(xué)等多個領(lǐng)域，主要研究材料、結(jié)構(gòu)和生物系統(tǒng)的宏微觀形變和破壞行為。取得的突出成就包括：（1）創(chuàng)立了基于微觀機(jī)制的應(yīng)變梯度理論，從微觀機(jī)理到宏觀唯象的多尺度研究引領(lǐng)了近20年來力學(xué)的發(fā)展范式；（2）揭示了多種新型微納米結(jié)構(gòu)金屬材料的塑性變形機(jī)制和斷裂機(jī)理，為后續(xù)材料和力學(xué)科學(xué)家解決金屬材料強(qiáng)韌互斥的難題指明了可行的方向；（3）建立了納米生物結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論體系，揭示了生物結(jié)構(gòu)材料中力學(xué)性能優(yōu)異的根本原因。

編輯、審核：艾克旦

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