电刺激小腿神经束可在足底和足背产生触觉

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概述 足部的触觉在提供地面信息方面发挥着重要作用。足部感知到的触觉在站立时会根据地面条件而不同，因此足部触觉的呈现对于营造沉浸式虚拟现实体验至关重要。本研究提出一种多电极踝部神经束电刺激方法，通过在踝关节放置电极产生足底与足背表面触觉的分布，并采用有限元仿真验证电极放置的有效性。 模拟 图像处理 获取基于 MRI/CT 扫描数据获得的包含超过 1200 个部位的实体 3D 男性模型，导入 Simpleware 软件进行图像处理。在 Simpleware ScanIP 模块，通过裁剪仅保留右下肢区域，使用 Paint 和布尔运算工具填充原模型中存在的非自然间隙。将血管内部的填充空隙定义为血液域，皮肤表面内的其他空隙则为内部组织域。在 Simpleware CAD 模块，将 24 个阴极与 3 个阳极放置在皮肤上。下肢模型中共包含 9 个不同的域，即电极、神经、软骨、血液、血管、肌肉、骨骼、皮肤及内部组织。在 Simpleware FE 模块，同时为以上部位生成高质量的四面体体积网格模型（含四面体单元 2118555 个），设置以 NASTRAN 格式导出。 图：（a）模型中的域（B）主要踝神经的位置（腓神经、腓肠神经、胫神经）（c）导入 COMSOL 的模型 将网格模型导入 COMSOL 软件，使用 AC/DC 模块计算电流密度分布。边界条件：（1）向阳极暴露表面施加内向电流（2）将阴极暴露表面设为接地（3）其余所有外表面均视为绝缘体（4）根据每个电极的外表面尺寸，将各电极的内向电流密度定义为合适值以提供 3.0 mA 的电流值。 图：电极放置和不同的电刺激条件 模拟结果 在电刺激条件①、②和⑫下，沿踝关节前侧走行的腓神经在三条神经束中呈现最高的电流密度值。在条件③-⑦下，沿踝关节内侧走行的胫神经具有最高的电流密度值。在条件⑧-⑪下，沿踝关节外侧走行的腓肠神经显示出最高的电流密度值。 图：每个电刺激条件下的电流密度分布 对支配足底与足背区域的神经束进行刺激，主要受刺激的神经束随电刺激条件的不同而变化，这表明所提出的方法可能选择性地在足底和足背表面的特定区域诱发触觉。在不同电刺激条件下，每个神经束获得的电流密度分布也不相同。 图：每个域中的最大电流密度 用户研究 在实验中，21 名参与者使用三种 VR […]

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QuantumATK 低维电子材料与器件合集（六）

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基于单层 PtSe2 的低功耗高性能 MOSFETs 的量子输运模拟 探索更多摩尔电子器件的新型沟道材料是一件有趣的事情。由于其各向异性电子特性、优异的稳定性和高载流子迁移率，单层（ML）PtSe2 是一种很有前途的沟道候选材料。通过 underlap 工程，利用量子输运模拟评估 sub-5nm ML PtSe2 MOSFETs 的性能极限。研究结果表明，优化后的 5 nm 栅极长度的 n 型和 p 型 ML PtSe2 MOSFETs 在低功耗（LP）和高性能（HP）应用方面都超过了国际器件和系统路线图（IRDS），并且与先前报道的ML MoS2 和 MoTe2 MOSFETs 相比表现出卓越的性能。值得注意的是，在漏极附近引入 p-n 结进一步提高了 3 纳米栅极 ML PtSe2 MOSFETs 的性能，超过了 IRDS HP 基准。重要的是，在适用于 LP 应用的 5 纳米栅极 ML PtSe2 MOSFETs 和适用于 HP 应用的 3 纳米栅极 ML PtSe2 MOSFETs 中观察到几乎对称的器件特性，这有利于同质逻辑电路的设计。（Surfaces and Interfaces, 2025: 107550. DOI:10.1016/j.surfin.2025.107550） Janus […]

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基于人工智能量子化学的碳氮化物相关单原子催化剂氧还原/析氧反应活性机理研究

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研究背景 氧还原反应（ORR）与析氧反应（OER）是燃料电池、金属空气电池及电解水等清洁能源技术中的关键电化学过程，其反应动力学缓慢，严重制约了相关器件的能量转换效率。开发高活性、高稳定性且低成本的电催化材料，是推动能源转化与存储技术发展的核心科学问题。近年来，单原子催化剂（SACs）由于其原子级分散、最大化的金属利用率以及独特的电子结构，成为替代贵金属催化剂的理想候选。 在众多载体材料中，碳氮化物相关材料因其良好的化学稳定性、可调的配位环境和丰富的缺陷结构，为单原子位点的稳定锚定与电子结构调控提供了优越平台。然而，不同金属单原子在碳氮化物载体上的配位方式、电子态分布及其对 ORR/OER 活性的影响机制高度复杂，传统经验式设计和单一理论计算方法难以全面揭示其本征活性起源。 与此同时，人工智能与量子化学方法的深度融合为催化材料的高效筛选与机理解析提供了全新思路。通过将第一性原理计算获得的电子结构、吸附能和反应能垒等关键描述符引入机器学习模型，可在大规模材料空间中快速识别影响催化活性的核心因素，从而实现对催化性能的定量预测与理性调控。 研究内容 该研究围绕碳氮化物相关单原子催化剂（SACs）在氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）中的活性起源展开，结合量子化学计算与人工智能方法，系统揭示影响其电催化性能的关键物理化学因素。 研究首先基于第一性原理计算，构建了一系列不同金属单原子（如过渡金属）锚定在碳氮化物载体上的催化模型，系统分析其几何结构、电子结构、配位环境及反应中间体如 *O、*OH、*OOH）的吸附行为。 图1.（a）六种最常见的碳氮化物的原子结构（b）相应的 CxNy 基 SACs，蓝色圆圈表示单个 TM 原子的位置（c）经筛选的过渡金属原子沉积在 CxNy 上 随后，选择 C2N、C3N 和 C3N4 三种 SAC 建立机器学习模型，进行活性预测和机理分析。经过数据提取和特征工程，构建训练机器学习模型的完整数据集。然后，应用五种不同的机器学习算法训练相应的模型，从而更准确地评价模型的精度数据集分割和交叉验证后的 RMSE 和 R2，通过连续的模型训练和参数调整测试得到性能最好的模型。 图2. 研究碳氮相关 SACs 的 ORR/OER 催化活性及反应机理的整个机器学习工作流程示意图。ORR 和OER ML 模型的输入特征集也显示为三组：原子结构、电子结构和系统特征。 进一步地，为正确评估模型性能以便选择最佳模型深入研究，采用 4 折交叉验证方法计算 ORR 和 OER 催化活性研究在不同机器学习模型下最终测试分数的对比直方图。结果表明，无论是训练集还是测试集，RFR 预测的过电位分布都与 DFT 计算值具有明显的线性关系，这表明经过有效训练的 RFR 模型在预测催化活性方面能够达到很高的精度。因此，选择 RFR 模型完成对 ORR 和 OER 活性预测及机理分析的进一步研究。 图3.（a）四折交叉验证数据集划分方法的示例。不同算法的机器学习模型在（b）ORR 和（c）OER 催化活性研究中测试集上的均方根误差（RMSE）和 R²。DFT 计算的（d）ORR 和（e）OER 过电位（DFT）值与在交叉验证四轮循环中测试分数最佳的最优随机森林回归（RFR）模型预测（ML）值的比较。 此外，还尝试将已建立的模型扩展到具有与基于 CxNy 的 […]

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Pd/Pt纳米粒子催化对孟烷燃烧机制（Chem. Eng. Sci.）

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研究背景 在碳中和战略背景下，可再生生物燃料的研发与应用已成为可持续发展的核心方向之一。通过代谢工程定向合成的单萜及倍半萜类化合物，被视作极具潜力的喷气燃料替代组分；其中，代表物质对孟烷（p-menthane）作为环烷烃替代组分，已实现商业航空飞行应用。然而，对孟烷的燃烧性能弱于直/支链烷烃，存在点火延迟长、燃烧不充分等缺陷。贵金属纳米颗粒（如 Pd、Pt）在催化燃烧领域表现出优异活性，尤其在促进脱氢、C–C 键断裂及氧化反应中独具优势，已被广泛应用于催化燃烧过程。但目前关于 Pd 与 Pt 的催化作用机制，尚缺乏微观层面的系统阐释，二者在反应路径选择、能垒调控及原子迁移行为等方面的本质差异仍不明确。为此，采用可精准描述复杂断键成键过程的反应性分子动力学（ReaxFF-MD）方法，系统探究 Pd、Pt 纳米颗粒催化对孟烷燃烧的微观机制，不仅有助于揭示两种贵金属催化性能的核心差异，更能为高效生物燃料燃烧体系的理性设计提供关键理论支撑。 研究内容 天津大学刘国柱教授课题组采用反应性分子动力学（ReaxFF MD）模拟，系统研究了 Pd 与 Pt 纳米颗粒催化对孟烷燃烧过程中的反应行为差异，重点分析了两种贵金属在点火行为、反应路径演化以及中间体生成方面的不同作用。作者构建了包含金属纳米颗粒、燃料分子与氧气的多组分反应体系，通过高温条件下的长时间动力学模拟，定量比较了 Pd 与 Pt 对 p-menthane 燃烧活化过程的强化效果。相关研究为理解贵金属催化燃烧的微观机制及其材料选择提供了理论依据。 图1. Pd催化对孟烷燃烧反应路径图 对孟烷是一种具有稳定环状骨架的饱和生物燃料，其燃烧过程通常受限于初始脱氢与开环反应。模拟结果表明，在 Pd 与 Pt 纳米颗粒存在下，对孟烷的初始脱氢、C–C 键断裂及氧化反应均被显著加速，但两种金属表现出明显不同的催化特征。相比之下，Pd 更倾向于促进连续脱氢和小分子生成，而 Pt 则更有效地诱导环结构开裂并加速 CO、CO₂ 等氧化产物的形成。两种体系中关键中间体的生成顺序与寿命分布存在显著差异，反映出金属表面对反应路径选择的调控作用。 图2. Pt催化对孟烷燃烧反应路径图 作者进一步通过分析反应事件统计、原子迁移行为以及金属应力分析，并辅以DFT计算，揭示了 Pd 与 Pt 催化差异的本质来源。结果表明，金属表面对氢原子与碳基中间体的结合强度不同，直接影响了脱氢速率与氧化反应的竞争关系，从而导致整体燃烧行为的差异。该研究从原子尺度阐明了贵金属催化生物燃料燃烧的机制差别，为高效燃烧催化剂的理性设计提供了重要理论指导。 图3. 典型氧化反应过程的NEB计算 图4. Pd，Pt金属离子切面应力分析 总结 本文利用AMS软件中的REAXFF模块，系统研究了 Pd 与 Pt 纳米颗粒催化对孟烷燃烧的微观机制。研究发现，贵金属纳米颗粒能够显著降低燃烧反应的初始活化难度，并明显改变反应路径的演化方式，其中 Pd 与 […]

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Sc2CT2(T=F, O) MXene 多功能应用的理论研究：p–n 结二极管、场效应晶体管与光电晶体管

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研究背景 随着二维材料在纳米电子与光电子器件中的广泛研究，开发兼具可调电子结构与多器件适用性的新型二维材料已成为当前的重要研究方向。除石墨烯、过渡金属硫族化合物（TMDs）等体系外，MXene 材料因其丰富的化学组成、可控的边缘修饰基团以及优异的电学性能，逐渐展现出在下一代电子器件中的应用潜力。尤其是通过边缘修饰工程，MXene 的功函数、载流子类型和能带结构可在较大范围内调控，为其从传统电极材料向有源半导体材料拓展提供了可能。 在众多 MXene 体系中，Sc2CT2(T=F, O) 由于其相对稳定的结构和对边缘修饰高度敏感的电子性质，引起了研究者的关注。不同修饰原子可显著改变其费米能级位置与载流子行为，使同一母体材料呈现出类 p 型或 n 型特性，为构建 p–n 结器件提供了天然优势。然而，目前关于 Sc2CT2 在具体器件层面的系统研究仍较为有限，尤其是在多功能电子与光电子器件中的综合应用潜力尚未得到充分探索。 研究内容 本研究基于第一性原理计算，系统探讨了 Sc2CT2(T=F, O) 在多种电子与光电子器件中的应用潜力，重点分析其电子结构调控机制及器件层面的功能表现。首先，通过密度泛函理论对 Sc2CT2 在不同边缘修饰条件下的能带结构、态密度及功函数进行计算，阐明 F 与 O 修饰对其载流子类型和能级分布的调控作用，为后续器件设计提供理论基础。 图1. 投影能带与投影态密度图（a）Sc2CF2（b）Sc2CO2 其次，基于边缘修饰差异构建 Sc2CT2 扶手椅与锯齿形输运方向的 p-n 结二极管，系统分析 p–n 结二极管的整流行为及电流-电压特性，评估其在二维整流器件中的应用可行性。 图2. 锯齿型和扶手椅型 Sc2CT2 单层掺杂浓度为 1×1020 cm-3 时 p-n 结二极管的输运特性 进一步地，将 Sc2CT2 作为沟道材料，引入栅极调控模型，研究其在场效应晶体管中的栅控能力、开关特性及载流子输运行为，揭示边缘修饰对 FET 性能的影响规律。 图3. Sc2CF2 单层 pin 结 FET 的输运特性 在此基础上，本研究还考察了 Sc2CT2 在光照条件下的光吸收特性与光生载流子动力学行为，构建光电 FET 模型，分析光照对沟道电导和器件响应的调制效应，评估其在光探测与光电集成器件中的应用潜力。 图4. Sc2CT2 单层 pin 结光电 FET […]

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QuantumATK 新能源材料与器件合集（一）

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研究 C20 富勒烯中乙炔键的影响：在光电设备和阳极材料中的应用 本研究深入探讨了 C80 富勒烯的各种特性，C80 富勒烯是在最小的富勒烯 C20 的每个链中加入乙炔键而得到，利用先进的理论计算证实了 C80 富勒烯的稳定性。值得注意的是，它具有有限的能隙（0.743 eV），因此被归类为半导体。通过对不同能量成分、电子密度拓扑描述符和化学反应性参数的研究，进一步了解其结构稳定性、成键性和反应性。由于 C80 富勒烯具有较高的电子亲和能（5.5 eV），因此可以充当自由基清除剂。光谱分析揭示了 C80 富勒烯在近红外区域的吸收性，以及在特定电磁波谱区域可忽略不计的光学透明度。此外，还研究了 C80 富勒烯作为锂离子电池阳极材料的可行性。锂离子与 C80 富勒烯的 C 原子间存在低吸附能（-1.693 eV）和大量的 Bader 电荷转移（0.917 e），这证实锂离子在 C80 富勒烯上发生了化学吸附。值得注意的是，这个笼子可以容纳 12 个锂离子，C80 富勒烯结构中的每个五边形都有一个，理论电容为 335 mAh/g。（Applied Surface Science, 2025, 681: 161499. DOI:10.1016/j.apsusc.2024.161499） 单相六方结构作为低温固体氧化物燃料电池阴极的协同效应及电催化研究 提高电极材料在较低工作温度（600℃）下的电催化活性，特别是氧还原反应（ORR），是实现固体氧化物燃料电池（SOFCs）商业化研究的首要任务。在此基础上，利用 SrFe12O19 氧化物中分别共掺杂 Gd2O3 和 Cr2O3 制备一种新型六方结构正极材料。在 550 ~ 475 ℃ 下，Sr0.90Gd0.10Fe11.90Cr0.10O19（SFO-10）阴极样品的峰值功率密度（PPD）高达 395 mW/cm2， x 射线光电子显微镜（XPS）证实其表面氧缺陷（Oβ）高达 17%。理论计算表明，Gd 和 Cr 的共掺杂在六方晶格处产生晶格无序，降低了离子输运的能垒，提高了 ORR 的电催化性能。因此，SFO-10 阴极在掺杂钆的铈（GDC）电解液中表现出良好的 ORR 活性，在 550 °C 时具有最低的低极化电阻（ASR）。本研究提供了一种自组装的单相六方阴极，可以加速 SOFC 技术的低温阻碍。（Journal of Rare Earths, 2024. DOI:10.1016/j.jre.2024.06.027） 第一性原理计算预测 SiP2 单层作为 Na/K 离子电池的潜在负极材料 本研究基于密度泛函理论（DFT）对单层 SiP2 作为 Na/K 离子电池潜在负极材料的系统可行性进行分析。通过从头算分子动力学（AIMD）计算，结果表明 SiP2 具有出色的稳定性。超低的离子扩散势垒（Na 为 0.107 eV，K 为 0.043 eV）以及碱金属离子吸附后的金属特性表明，当用作负极时，SiP2 具有快速的充放电速率和出色的电导率。此外，它还具有相当大的理论存储容量（Na/K：446.53/595.38 mAh/g）和能量密度（Na/K：1026.91/1322.46 mWh/g）。这些发现表明，单层 SiP2 作为 Na/K 离子电池的潜在负极材料具有优越的性能。（Surfaces and Interfaces, 2024, […]

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基于 FIB 重建纳米多孔网络的结构和力学性能数据集

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概述 本数据集论文构建了一套完整的档案资料，包含纳米多孔金（NPG）结构的三维断层扫描重建图像文件、有限元模拟用体积网格文件、结构及其力学性能的表格数据。该存档数据可作为纳米多孔网络材料的数据库，在材料科学领域重复应用于数值模拟、增材制造、机器学习等。 基础材料为由脱合金工艺制备的纳米多孔金，固体分数约 0.30，韧带尺寸范围是 20-400 nm。使用 Simpleware 软件对 FIB/SEM 图像数据进行重建，获取纳米多孔网络的比表面积、固体体积、固体体积分数等结构参数，评估三维微观结构的连通性。在 Simpleware FE 模块生成体积网格模型后导入 Abaqus 软件，分别沿三个主轴方向进行单轴压缩下的力学响应评估，根据所得应力-应变曲线确定每个结构的杨氏模量与屈服强度。由真实应变增量分析弹性与塑性泊松比。 数据描述 五种不同的纳米多孔结构以韧带尺寸 L区分，L = 20 nm的试样代表脱合金状态，其余较大韧带尺寸试样是通过热退火期间的表面扩散获得。 图：数据集的工作流程（a）通过 FIB/SEM 成像获得双连续纳米多孔金网络的 3D 断层扫描重建模型（b）使用 Simpleware 软件生成四面体体积网格模型（c）采用 Abaqus 软件计算工程应力-应变曲线展现试样的力学响应（d）由之前步骤获得的结构和力学参数列表 为确保体素接近各向同性，三个轴向的体素厚度相当。根据各个试样的特征结构尺度匹配对应的体素分辨率，并随韧带尺寸增大。依据代表性体积的边长应大于韧带尺寸的 15 倍，裁剪出代表性体积单元作为能够准确获取 NPG 试样材料关键微观结构参数与力学性能的最小体积。通过 Simpleware 软件中 Measurements 区域的统计工具得到表面积、体积、体积分数，计算比表面积。 表：重建 3D 图像的平均韧带尺寸（直径）、体素数量、体素尺寸和试样尺寸 表：具有不同韧带尺寸 NPG 试样的结构与力学参数数据集 数据集中包含四种主要数据类型：（1）实验制备 NPG 的三维断层扫描重建图像文件（2）基于断层扫描数据生成的体积网格模型文件（3）通过有限元模拟获取的力学响应数据，包含应力-应变行为和泊松比（4）NPG 试样的结构与力学性能汇总表。 图：数据集文件的结构组成 网格划分 通过阈值工具进行图像分割，并将独立的孤岛删除，即对力学性能没有贡献的断连部分。在 Simpleware FE 模块设置网格划分参数： 网格划分算法：FE Free […]

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基于离域激子特性实现完全可逆的单超原子光电子开关

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研究背景 在信息技术飞速发展的背景下，电子器件正朝着微型化、集成化、多功能化、智能化及网络化方向不断演进。其中，微型化与集成化是支撑这一趋势的关键基础。从原子与分子尺度出发构建功能器件，不仅顺应了器件尺寸持续缩小的需求，也为在原子层面探索材料的本征特性与量子效应提供了独特平台。团簇作为介于原子、分子与宏观凝聚态物质之间的新兴结构层次，是由数个至数千个原子、分子或离子通过物理或化学作用形成的稳定微观聚集体。它们具备精确的化学组成与原子排列，表现出显著的量子尺寸效应与类分子特性。原子精度可控的配体保护金属纳米团簇不仅保留了裸团簇的类分子电子结构，还具有制备工艺简便、环境稳定性高等优点，被视为在室温条件下实现单分子光电子器件大规模制备最具潜力的功能材料之一。 研究内容 扬州大学裴玮副教授和华南师范大学周思教授课题组合作，采用含时密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，以双膦配体保护的 Au13 超原子团簇为母体结构，通过掺杂原子与 Au12 空笼间的电子耦合诱导形成独特的超原子构型，从而改变了光激发过程中电子转移的能垒。具有 18 个价电子的超原子团簇表现出显著的激子离域特性，并因此产生较大偶极矩。通过与金电极经由卤化物连接体实现共价键合，所构建的单团簇结在低栅压（0.50 V）条件下，展现出完全可逆的光电导行为，“开”态与“关”态之间的接触电阻比高达 104 至 105。 图1. M@Au12超原子团簇的关键的几何结构和电子结构及其热力学稳定性 根据球形凝胶模型，[Au13]⁵⁺ 形成具有 8 个价电子的超原子构型（1S²1P⁶）。当中心 Au 原子被其他元素取代时，掺杂原子价电子数的降低导致凝胶势上移。其中，中心原子为 Au 或 Pt 的体系仍保持 8 电子超原子构型，而其他四种掺杂元素则呈现 18 电子构型（1S²1D¹⁰1P⁶）。这种构型差异主要取决于异质原子是否参与超原子轨道的成键作用。对于 Au 和 Pt 而言，其内核原子的电子排布为 5d¹⁰‖6s⁰，即 d 轨道完全填充，因此在与 Au₁₂ 笼相互作用时不参与超原子轨道构成，形成 8 电子构型。而对于其他掺杂原子，由于 d 轨道未完全占据，在与 Au₁₂ 笼作用时发生强轨道杂化，从而填充 d 轨道，形成 18 电子构型。进一步对更多 4d 和 5d 过渡金属掺杂的研究证实，d 轨道为单电子全占据的原子倾向于形成 8 […]

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交错磁中相干隧穿磁阻的异常厚度缩放特性

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研究背景 磁隧穿结（MTJ）是自旋电子学中的基本组成部分，通过巨磁电阻效应实现非易失性存储功能。减小 MTJ 厚度是提升存储密度、高速操作和自旋轨道耦合效率的关键。最近，新型磁体–交错磁（AM）材料因具有在实空间和动量空间中的交替自旋极化受到了广泛关注，它们表现出巨大的自旋劈裂而不具备净磁矩，成为超紧凑型 MTJ 集成的理想平台。在传统 MTJ 中，隧穿磁阻（TMR）通常会随着势垒厚度的增加而增大，这是因为反平行态下电子的隧穿衰减速度比平行态更快。本工作揭示了一种在交错磁隧穿结（AMTJ）中 TMR 随着势垒厚度增加而减小的反常规律，这是由于交错磁的能带中自旋简并部分形成了一条在反平行态下无法被抑制的隧穿通道，该现象进一步在二维 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 中得以验证。 研究内容 本文首先对 AMTJ 的 TMR 随着厚度变化的物理机理进行理论分析并提出双势垒模型，将自旋劈裂的费米面分为外部区域 A 和中心区域 B。在 AP 配置中，左右电极的 Néel 矢量是反平行的，区域 A 的自旋匹配问题使得该区域的电子透射可以有效抑制，被称为有效区域。而区域 B 的传输通道在 AP 配置下仍然保持开启，因为自旋分裂的两个费米面重叠，形成了一个自旋简并的传输通道，在 P 和 AP 状态下都保持开放，也被称为无效区域。根据隧穿理论，TMR 随着中间层厚度的变化可以用以下公式表达： 其中 kA 和 kB 分别为区域 A 和区域 B 的衰减系数。本文探讨了两种情景下的 TMR 行为：当 kA 小于 kB 时，TMR 随势垒厚度增加而增加，符合传统的缩放规律；而当 kA 大于 kB 时，表现为反常的缩放现象。 图1.（a）传统 MTJ 和（b）AMTJ 中的隧穿机制；（c）平行态配置中，区域 A 和 B 的电子态都参与隧穿；（d）反平行配置中，区域 A 的电子态传输被抑制，但区域 B 的电子态仍有传输。 随后采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，研究具有不同势垒厚度的 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 器件以验证这一反常规律。首先，通过计算能带结构，V2Te2O 和 Cr2Se2O 分别为二维交错磁金属和交错磁半导体，且均具有 d 波各向异性。 图2. V2Te2O 和 Cr2Se2O 的原子结构、能带以及费米面处能带劈裂 Cr2Se2O 的面外衰减系数 k 通过计算复能带得到。在倒空间中，可以观察到其也具有交错性质的衰减，在 Γ 点附近，自旋向上与自旋向下的电子具有几乎相同的衰减率。然而，具有不同自旋电子的衰减在 Γ-X 和 Γ-Y 方向上发生反转，且该区域的衰减较 Γ 点附近更大。 图3. 费米面附近 Cr2Se2O 的面外衰减系数 该 AMTJ 器件采用 2D 交错磁金属 V2Te2O 作为电极，2D 交错磁半导体 Cr2Se2O 作为绝缘层，其具有三种操作状态：平行态（P），电极和绝缘层的 Néel 矢量方向相同；中间态（I），绝缘层与电极的 Néel 矢量相反；反平行态（AP），两电极的 Néel 矢量方向相反。通过分析透射谱，可以发现，与 P 态相比，I 态在 Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射明显减弱；而在 AP 态下，Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射进一步被抑制。尽管如此，在 AP 态下，Γ 点附近的电子隧穿仍然存在，这表明该态下存在一定的传输通道。 图4. AMTJ 器件图以及不同操作状态下的的透射谱 通过改变中间绝缘层 Cr2Se2O 的层数发现，随着层数增大，TMR 呈现减小趋势。P 态的 TMR 从 220% 减至 40%，I 态从 137% 降到39%，与之前的理论分析一致。通过透射谱可以看出，Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射随着层数增大有很明显的衰减，而 Γ 附近的透射仍就保持。 图5. TMR 和透射谱随着 Cr2Se2O 层数的变化情况 本研究还探讨了使用非磁性绝缘层材料 ZnSe 以及交错磁 V2Te2O 电极的隧穿结结构，以解决由相邻交错磁性层之间的强交换相互作用可能引起的磁不稳定性问题。ZnSe 是一种具有 2.26 eV 直接带隙的半导体。随着势垒厚度的增加，在 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 中，TMR 从 206% 降至 0.9%，呈现出与全交错磁性结构类似的趋势。这一现象源于交错磁性材料中自旋简并和非简并 Bloch 态的共存，它们通过势垒的衰减速率不同。当自旋简并态衰减较慢时，便出现了反常的衰减行为，无论绝缘层是否为交错磁材料。 图6.（a）ZnSe 以及（b）V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 器件原子结构示意图，（c）ZnSe 的能带结构（d）TMR 随 ZnSe 层数的变化 总结 本研究揭示了交错磁性隧穿结中 TMR 随着势垒厚度增加而下降的反常缩放行为。其背后的机制在于自旋简并态引发的持久传输通道，该通道在 P 与 AP 配置切换时几乎不受影响。为了解释这一现象，构建简化的双势垒模型区分有效和无效的自旋选择性传输。有效部分源自自旋劈裂态，随着势垒厚度增加迅速衰减，而无效部分则衰减较弱，并在较大厚度时主导总体传输。TMR 是否表现出反常的缩放行为，主要取决于有效区域和无效区域之间的衰减差异。通过在全交错磁 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O AMTJ 和非磁性 ZnSe 绝缘层的 AMTJ 上进行第一性原理量子输运模拟，验证了这一反常行为。研究结果不仅深入揭示了交错磁性材料的基本输运行为，还强调了影响基于交错磁性的磁性隧道结性能的关键设计因素。 参考文献 Z Yang, X Yang, J Wang, et al. Unconventional thickness scaling of coherent tunnel magnetoresistance in altermagnets [J]. Physical Review B, 2025, 112 (20): […]

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保留髋关节骨骼的定制植入物设计

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概述 髋臼骨溶解是髋关节置换术的常见并发症，由于植入物周围骨质流失导致松动将影响长期疗效。骨质流失的原因包括金属对聚乙烯轴承的磨损和假体周围感染，引发炎症从而破坏骨组织。 传统的 X 射线难以有效检测骨溶解，限制了骨质流失的早期识别，而 CT 扫描为规划翻修治疗评估骨质流失则更精准。英国皇家国家骨科医院（RNOH）的 Simpleware 软件用户通过 3D 打印的定制植入物重建严重的骨缺损并恢复丢失的骨结构。RNOH、Synopsys 和 implantcast GmbH 公司合作的治疗方法旨在最大限度地减少骨切除、改善定制植入物放置和手术效果。 亮点 定制化工作流程改善复杂骨科病例的术前计划 Simpleware 软件中基于 AI 的图像分割技术可加快实现从设计到手术的工作流程 与设计工具及术后复查的整合形成反馈循环，提高精度、降低并发症风险并支持更好的长期患者预后 定制植入物设计 在该工作流程中，RNOH 的外科医生筛选需要先进手术干预的复杂患者病例，例如存在严重骨质流失。Implantcast 公司的植入物设计师采用 Simpleware 软件根据患者 CT 扫描数据生成虚拟骨骼模型，基于人工智能的自动分割和解剖标记工具可简化此流程，随后通过手动编辑选项处理严重的成像伪影和其他复杂情况。 然后在骨骼模型中进行定制植入物的设计与定位，确保其与解剖结构精准适配。植入过程配备一体化手术导板实现螺钉的准确定位，假体由钛金属 3D 打印制成。 图：规划定制植入物的流程 术前规划和术后护理 与传统植入物设计通常需要侵袭性切除相比，这种定制化方法的一个关键好处就是减少了骨切除的需求。植入物的精度能够优化固定，而内置导板可提高术中螺钉轨迹的准确性以适应每个患者的骨质量和解剖结构。 这种针对患者的适配提高了植入物的稳定性和对准，并降低手术及术后并发症的风险。手术后通过 CT 扫描确认精准的植入物定位、评估如骨生物力学的恢复等结果。继而将这些见解反馈到设计流程中，不断完善未来的植入物规划。 图：特定患者的3D 模型改善植入物的设计和放置，降低手术并发症的风险 总结 定制化 3D 打印钛金属植入物对于重建复杂的骨缺损非常有效。金属对金属（MoM）植入物骨溶解的早期干预对防止进行性骨丢失至关重要，而横断面 CT 成像在评估骨完整性中发挥着关键作用。 由 RNOH、Synopsys 和 implantcast 开发针对特定患者的个性化治疗方案，通过 AI 驱动的工具和快速的迭代设计有效缩短了规划时间。外科医生和工程师之间的这种协作模式有助于每位患者获得最佳治疗效果。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/bone-preserving-design.html 相关讲座视频 https://register.gotowebinar.com/register/5775681147322486623 Di Laura, A., Hart, A., Henckel, J., 2025. Advancing custom […]

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