- 2025-01-21 09:29:42超快二維光譜
- 超快二維光譜利用超短脈沖激光研究物質在飛秒至皮秒時間尺度上的電子結構和動力學變化。它通過測量不同時間延遲下的二維光譜信號，揭示物質內部電子的超快過程。該技術應用于化學、物理、生物等領域，可研究能量轉移、電荷分離等超快現象，有助于理解復雜體系的電子動態行為，推動相關科學研究的發展。
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超快二維光譜問答
- 2023-05-18 16:59:34全共線多功能超快光譜儀與高精度激光掃描顯微鏡，二維材料與超快
- 全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT MONSTR Sense Technologies是由密歇根大學研究人員成立的科研設備制造公司。該公司致力于研發為半導體研究應用而優化的超快光譜儀和顯微鏡，突破性的技術可將光學器件和射頻電子器件耦合在一起，以穩健的方式測量具有干涉精度的光學信號，真正實現一套設備、一束激光、多種功能。圖1. 全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT 全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT不僅兼具共振和非共振超快光譜探測，還可以兼容瞬態吸收光譜（Transient absorption (TAS)）、相干拉曼光譜(Coherent Raman Spectroscopy (CRS))、多維相干光譜探測(Multidimensional Coherent Spectroscopy (MDCS))。開創性的全共線光路設計，使其可以與該公司研發的高精度激光掃描顯微鏡（NESSIE）聯用，實現超高分辨超快光譜顯微成像。全共線多功能超快光譜儀的開發也充分考慮了用戶的使用體驗，系統軟件可自動調控參數，光路自動對齊、無需校正等特點都使得它簡單易用。全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT主要技術參數：高精度激光掃描顯微鏡NESSIE MONSTR Sense Technologies的高精度激光掃描顯微鏡NESSIE可用入射激光快速掃描樣品，在幾秒鐘內就能獲得高光譜圖像。該設備可適配不同高度的樣品臺和低溫光學恒溫器，物鏡高度最多可變化5英寸，大樣品尺寸同樣適用。NESSIE顯微鏡是具有獨立功能，可以與幾乎任何基于激光測量與高分辨率成像的設備集成在一起，也非常適合與該公司研發的全共線多功能超快光譜儀集成。 圖2. 高精度激光掃描顯微鏡NESSIE 高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE的輸入信號為單個激光光束，輸出信號為樣品探測點收集的單個反向傳播光束，這樣的光路設計確保了反傳播信號在掃描圖像時不會相對于輸入光束漂移，因而非常適用于激光的實驗中的成像顯微鏡系統。 圖3. 使用NESSIE在室溫下測量的GaAs量子阱的圖像。a） 用相機測量的白光圖像。b） 用調諧到GaAs帶隙的80MHz激光器（5mW激光輸出）進行激光掃描線性反射率測量。c） 同時測量的激光掃描四波混頻圖像揭示了影響GaAs層的亞表面缺陷 BIGFOOT+NESSIE應用案例：1. 高精度激光掃描顯微鏡用于材料表征 美國密歇根大學課題組通過使用基于非線性四波混頻（FWM）技術的多維相干光譜MDCS測量先進材料的非線性響應，利用激子退相和激子壽命來評估先進材料的質量。課題組使用通過化學氣相沉積生長的WSe2單分子層作為一個典型的例子來證明這些功能。研究表明，提取材料參數，如FWM強度、去相時間、激發態壽命和暗/局部態分布，比目前普遍的技術，包括白光顯微鏡和線性微反射光譜學，可以更準確地評估樣品的質量。在室溫下實時使用超快非線性成像具有對先進材料和其他材料的快速原位樣品表征的潛力。圖4. (a)通過擬合時域單指數衰減得到的樣本的去相時間圖，在圖(a)中用三角形標記的選定樣本點處的FWM振幅去相曲線【參考】Eric Martin, et al; Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022). 2.二維材料中激子相互作用和耦合的成像研究 過渡金屬二鹵代化合物（TMDs）是量子信息科學和相關器件領域非常有潛力的材料。在TMD單分子層中，去相時間和非均勻性是任何量子信息應用的關鍵參數。在TMD異質結構中，耦合強度和層間激子壽命也是值得關注的參數。通常，TMD材料研究中的許多演示只能在樣本上的特定點實現，這對應用的可拓展性提出了挑戰。美國密歇根大學課題組使用了多維相干成像光譜（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 簡稱MDCS），闡明了MoSe2單分子層的基礎物理性質——包括去相、不均勻性和應變，并確定了量子信息的應用前景。此外，課題組將同樣的技術應用于MoSe2/WSe2異質結構研究。盡管存在顯著的應變和電介質環境變化，但相干和非相干耦合和層間激子壽命在整個樣品中大多是穩健的。圖5. （a）hBN封裝的MoSe2/WSe2異質結構的白光圖像。（b）MoSe2/WSe2異質結構在圖（a）中的標記的三個不同樣本點處的低功率低溫MDCS光譜。（c）圖（b）中所示的四個峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混頻積分圖。（d）MoSe2/WSe2異質結構上的MoSe2共振能量圖。（e）MoSe2/WSe2異質結構的WSe2共振能量圖。（f）所有采樣點的MoSe2共振能量與WSe2共振能量【參考】Eric Martin, et al; Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022) 3. 摻雜MoSe2單層中吸引和排斥極化子的量子動力學研究 當可移動的雜質被引入并耦合到費米海時，就形成了被稱為費米極化子的新準粒子。費米極化子問題有兩個有趣但截然不同的機制： (i)吸引極化子（AP）分支與配對現象有關，跨越從BCS超流到分子的玻色-愛因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），這是斯通納流動鐵磁性的物理基礎。二維系統中的費米極化子的研究中，許多關于其性質的問題和爭論仍然存在。黃迪教授課題組使用了Monstr Sense公司的全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT研究了摻雜的MoSe2單分子層。課題組發現觀測到的AP-RP能量分裂和吸引極化子的量子動力學與極化子理論的預測一致。隨著摻雜密度的增加，吸引極化子的量子退相保持不變，表明準粒子穩定，而排斥極化子的退相率幾乎呈二次增長。費米極化子的動力學對于理解導致其形成的成對和磁不穩定性至關重要。圖6. 單層MoSe2在不同柵極電壓下的單量子重相位振幅譜【參考】Di HUANG, et al; Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)
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- 2023-05-26 11:43:55全共線多功能超快光譜儀與高精度激光掃描顯微鏡，二維材料與超快光學實驗必備！
- 全共線多功能超快光譜儀BIGFOOTMONSTR Sense Technologies是由密歇根大學研究人員成立的科研設備制造公司。該公司致力于研發為半導體研究應用而優化的超快光譜儀和顯微鏡，突破性的技術可將光學器件和射頻電子器件耦合在一起，以穩健的方式測量具有干涉精度的光學信號，真正實現一套設備、一束激光、多種功能。圖1. 全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT不僅兼具共振和非共振超快光譜探測，還可以兼容瞬態吸收光譜（Transient absorption (TAS)）、相干拉曼光譜(Coherent Raman Spectroscopy (CRS))、多維相干光譜探測(Multidimensional Coherent Spectroscopy (MDCS))。開創性的全共線光路設計，使其可以與該公司研發的高精度激光掃描顯微鏡（NESSIE）聯用，實現超高分辨超快光譜顯微成像。全共線多功能超快光譜儀的開發也充分考慮了用戶的使用體驗，系統軟件可自動調控參數，光路自動對齊、無需校正等特點都使得它簡單易用。全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT主要技術參數：若您對設備有任何問題，歡迎掃碼咨詢！高精度激光掃描顯微鏡NESSIEMONSTR Sense Technologies的高精度激光掃描顯微鏡NESSIE可用入射激光快速掃描樣品，在幾秒鐘內就能獲得高光譜圖像。該設備可適配不同高度的樣品臺和低溫光學恒溫器，物鏡高度最多可變化5英寸，大樣品尺寸同樣適用。NESSIE顯微鏡是具有獨立功能，可以與幾乎任何基于激光測量與高分辨率成像的設備集成在一起，也非常適合與該公司研發的全共線多功能超快光譜儀集成。圖2. 高精度激光掃描顯微鏡NESSIE高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE的輸入信號為單個激光光束，輸出信號為樣品探測點收集的單個反向傳播光束，這樣的光路設計確保了反傳播信號在掃描圖像時不會相對于輸入光束漂移，因而非常適用于激光的實驗中的成像顯微鏡系統。圖3. 使用NESSIE在室溫下測量的GaAs量子阱的圖像。a） 用相機測量的白光圖像。b） 用調諧到GaAs帶隙的80MHz激光器（5mW激光輸出）進行激光掃描線性反射率測量。c） 同時測量的激光掃描四波混頻圖像揭示了影響GaAs層的亞表面缺陷若您對設備有任何問題，歡迎掃碼咨詢！BIGFOOT+NESSIE應用案例：01高精度激光掃描顯微鏡用于材料表征美國密歇根大學課題組通過使用基于非線性四波混頻（FWM）技術的多維相干光譜MDCS測量先進材料的非線性響應，利用激子退相和激子壽命來評估先進材料的質量。課題組使用通過化學氣相沉積生長的WSe2單分子層作為一個典型的例子來證明這些功能。研究表明，提取材料參數，如FWM強度、去相時間、激發態壽命和暗/局部態分布，比目前普遍的技術，包括白光顯微鏡和線性微反射光譜學，可以更準確地評估樣品的質量。在室溫下實時使用超快非線性成像具有對先進材料和其他材料的快速原位樣品表征的潛力。圖4. (a)通過擬合時域單指數衰減得到的樣本的去相時間圖，在圖(a)中用三角形標記的選定樣本點處的FWM振幅去相曲線【參考】Eric Martin, et al; Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022).02二維材料中激子相互作用和耦合的成像研究過渡金屬二鹵代化合物（TMDs）是量子信息科學和相關器件領域非常有潛力的材料。在TMD單分子層中，去相時間和非均勻性是任何量子信息應用的關鍵參數。在TMD異質結構中，耦合強度和層間激子壽命也是值得關注的參數。通常，TMD材料研究中的許多演示只能在樣本上的特定點實現，這對應用的可拓展性提出了挑戰。美國密歇根大學課題組使用了多維相干成像光譜（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 簡稱MDCS），闡明了MoSe2單分子層的基礎物理性質——包括去相、不均勻性和應變，并確定了量子信息的應用前景。此外，課題組將同樣的技術應用于MoSe2/WSe2異質結構研究。盡管存在顯著的應變和電介質環境變化，但相干和非相干耦合和層間激子壽命在整個樣品中大多是穩健的。圖5. （a）hBN封裝的MoSe2/WSe2異質結構的白光圖像。（b）MoSe2/WSe2異質結構在圖（a）中的標記的三個不同樣本點處的低功率低溫MDCS光譜。（c）圖（b）中所示的四個峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混頻積分圖。（d）MoSe2/WSe2異質結構上的MoSe2共振能量圖。（e）MoSe2/WSe2異質結構的WSe2共振能量圖。（f）所有采樣點的MoSe2共振能量與WSe2共振能量【參考】Eric Martin, et al; Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022)03摻雜MoSe2單層中吸引和排斥極化子的量子動力學研究當可移動的雜質被引入并耦合到費米海時，就形成了被稱為費米極化子的新準粒子。費米極化子問題有兩個有趣但截然不同的機制：(i)吸引極化子（AP）分支與配對現象有關，跨越從BCS超流到分子的玻色-愛因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），這是斯通納流動鐵磁性的物理基礎。二維系統中的費米極化子的研究中，許多關于其性質的問題和爭論仍然存在。美國德克薩斯大學奧斯汀分校李曉勤教授課題組使用了Monstr Sense公司的全共線多功能超快光譜儀BIGFOOT研究了摻雜的MoSe2單分子層。課題組發現觀測到的AP-RP能量分裂和吸引極化子的量子動力學與極化子理論的預測一致。隨著摻雜密度的增加，吸引極化子的量子退相保持不變，表明準粒子穩定，而排斥極化子的退相率幾乎呈二次增長。費米極化子的動力學研究對于理解導致其形成的配對和磁不穩定性至關重要。圖6. 單層MoSe2在不同柵極電壓下的單量子重相位振幅譜【參考】Di HUANG, et al; Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)若您對設備有任何問題，歡迎掃碼咨詢！
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- 2022-11-29 10:21:21動力電池應用 | 超快充(XFC)要求及開發策略
- 近來，盡管動力電池快充技術在快速發展，但充電時間，效率和壽命焦慮依然是全 球范圍內使用電動車的主要焦慮。鋰離子電池以高能量密度和長壽命成為電動車的主要能源。當前，有幾種方式來控制快充條件下的電池健康狀態。本文提出了充電協議的清晰分類，將快充協議分為功率管理協議，依賴于對電流，電壓和電池溫度控制的熱管理協議，以及依賴于鋰離子電池材料物理修飾和化學結構的材料層面的充電協議。并分析了每種快充協議的要求，優勢和劣勢。Fig 1 電動汽車(EV)研究路線圖鋰離子電池不同層級對快充的影響材料-電極-電池層級對快充的影響鋰離子電池快充協議快充協議的目的是降低充電時間，優化效率和循環壽命，降低充電損失。消除大倍率充電和深度放電所導致的活性物質損失，電極表面的SEI膜重整，內部溫度變化和減小容量損失。Fig 2 鋰離子電池主要快充充電協議類型Fig 3主要快充協議的優勢及劣勢 恒電流恒電位充電協議CC-CV 作為傳統的充電協議，其示意圖如Fig 4 所示，即恒電流充到指定電位后，在截止電壓下持續恒壓充電至電流降低為0.1C 或0.01 C。CC-CV的主要問題是充電時間較長，且CV恒壓過程會導致電池內部發生化學反應。Fig 4 恒電流-恒電位充電(CC-CV)示意圖多步恒電流(MCC) 充電協議種類Fig 5 多步恒電流(MCC) 充電協議種類(a) 充電電流多步變換(b) 混合技術(HT) (c) 條件隨機變化技術 (CRT)(d) 多步恒電流超快充技術 (ML MCC-CV)MCC充電協議是通過多步的變換的恒電流進行充電，作為目前最 具潛力的超快充技術，有利于縮短充電時間，同時降低電池的衰減和能量損失，并提高效率，降低產生的熱，避免析鋰和過充等，但是，MCC充電協議需要對電池內部的電路進行全面準確評估后才能有效進行開發。因此，MCC的開發需要直流和交流阻抗技術組合使用。熱管理協議Fig 6 熱管理協議恒溫-恒壓充電協議示意圖熱管理充電協議依賴于對環境溫度和電池溫度的控制，溫度作為影響電池老化非常重要的因素, 一種新的快充協議基于恒溫很恒壓(CT-CV) 如Fig 所示。CTCV基于施加2C電流，然后電流指數衰減至1C ,當電壓到達4.2V時，電流開始衰減至0.1C。為了維持溫度恒定，采用PID進行溫度控制。脈沖電流充電協議(PCC)Fig 7 脈沖充電電流示意圖Fig 8 脈沖電流充電協議(a) 標準協議-固定占空比(b) 標準協議-變化占空比(c) 標準協議-衰減電流(d) 標準協議高-低電流變化(e) 不同的電壓脈沖PCC 協議依賴于控制負載的循環，頻率和充電脈沖的幅值等，PCC有利于縮短充電時間，低溫條件下加熱電池，抑 制鋰析出，增加功率轉換，有利于消除濃差極化。缺點是控制器要求極其復雜，難度很高。結論經過以上分析，功率控制協議，由于充電時間短，發熱量低，效率高，避免鋰析出等優勢，成為目前鋰離子電池快充最 具潛力的方法之一，由于其波形的復雜性，對于溫度的監測，析鋰的有效評價等以及鋰離子電池內部等效電路的全面分析，對于所使用的開發設備提出巨大挑戰。多步電流法及脈沖電流快充協議，測試設備需要具備以下能力。參考文獻1. A Review of Various Fast Charging Power and Thermal Protocols for Electric Vehicles Represented by Lithium-Ion Battery Systems,Future Transp. 2022, 2, 281–299.https://doi.org/10.3390/futuretransp20100152. Detection of Lithium Plating in Li-Ion Cell Anodes Using Realistic Automotive Fast-Charge Profiles, Batteries 2021, 7, 463. Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects, Adv. Energy Mater.2021, 11, 2101126, DOI: 10.1002/aenm.202101126
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- 2022-11-29 10:31:15超快充(XFC)應用 | 三電極動態EIS解鎖電荷轉移限制
- 以鋰離子電池作為動力的電動車的充電時間，極大的限制了電動車的發展。因此，寄希望于極速快充（XFC）能夠在10-15分鐘內實現充電0-80% SOC。由于離子傳輸的限制和析鋰的風險，這對目前采用石墨（Gr）基負極和過渡金屬氧化物正極的鋰離子電池（LIBs）提出了巨大的挑戰。通常認為，充電過程涉及正負極材料或電解質中的離子傳輸，和固液界面的電荷傳輸。同時大量的文獻認為，離子在充滿電解質的電極孔隙或電極顆粒內部的擴散是快速充電過程中的限速步驟，特別是在較高負載（>3 mAh cm-2）的高比能量鋰離子電池。但難以直接觀測界面結構和離子傳輸機制，因此很難監測跨越電極-電解質界面的電荷轉移。基于以上問題，清華大學張強教授團隊，采用紐扣電池三電極體系，利用輸力強1470E/1455輔助分壓，進行了動態EIS及同步正負極阻抗監測，結果表明，快速的電荷轉移速率對于實現不同尺寸材料的高比能量非常重要，這使得對之前傳質過程是快充主要速率限制的假設產生了新的認識。Fig 1 . 紐扣電池中的三電極示意圖A) 鋰參比電極是通過在銅線尖 端附加一小片鋰箔制成的B) 紐扣三電極由工作電極，Li參比電極，兩層隔膜，鋰片做對電極構成三明治結構 Fig 2 動態EIS用于研究電極界面動力學A) 動態交流阻抗(DEIS)的電壓和電流曲線B) 由DEIS獲得的典型Nyquist曲線，石墨負極對參比和NCA正極對參比，等效電路分別進行擬合Fig3 NAC正極在充電過程中不同SoC下的NCA曲線。直流電流為0.3C，GEIS電流擾動為0.03C然而，除了以前專注于單電極的研究，圍繞著界面電荷轉移是否決定了鋰離子全電池的快速充電能力，如果是限制步驟，那是如何限制的，仍然然存在很大爭議。因此，三電極動態EIS提供了一種有效的思路。Fig 4 石墨負極在充電過程中不同SoC下，動態GEIS測試 DC電流0.25 C ，交流振幅為0.025 C.結論使用動態交流阻抗(DEIS)對三電極中正負極電荷轉移動力學進行了量化，不同于傳統穩態EIS, DEIS結合三電極可以獨立提取電池中正極或者負極的反應動力學。此外，在不同的電解質條件下，EC/DMC LiPF6(20.6 Ohm)與 EC/DMC LiTFSI （9.3Ohm）相比，NCA在不同的SoC下Rct減半。通過改進的電解質，FEC/DMC LiPF6，加速了鋰離子的去溶劑化，在快充條件下表現出更小的極化。參考文獻1. Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries,Angewandte Chemie International Edition ( IF 16.823 ) Pub Date : 2022-11-16 , DOI: 10.1002/anie.202214828, Yu-Xing Yao, Xiang Chen, Nan Yao, Jin-Hui Gao, Gang Xu, Jun-Fan Ding, Chun-Liang Song, Wen-Long Cai, Chong Yan, Qiang Zhang
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- 2022-11-24 10:56:21超快充(XFC)應用 | 三電極動態EIS解鎖電荷轉移限制
- 以鋰離子電池作為動力的電動車的充電時間，極大的限制了電動車的發展。因此，寄希望于極速快充（XFC）能夠在10-15分鐘內實現充電0-80% SOC。由于離子傳輸的限制和析鋰的風險，這對目前采用石墨（Gr）基負極和過渡金屬氧化物正極的鋰離子電池（LIBs）提出了巨大的挑戰。通常認為，充電過程涉及正負極材料或電解質中的離子傳輸，和固液界面的電荷傳輸。同時大量的文獻認為，離子在充滿電解質的電極孔隙或電極顆粒內部的擴散是快速充電過程中的限速步驟，特別是在較高負載（>3 mAh cm-2）的高比能量鋰離子電池。但難以直接觀測界面結構和離子傳輸機制，因此很難監測跨越電極-電解質界面的電荷轉移。基于以上問題，清華大學張強教授團隊，采用紐扣電池三電極體系，利用輸力強1470E/1455輔助分壓，進行了動態EIS及同步正負極阻抗監測，結果表明，快速的電荷轉移速率對于實現不同尺寸材料的高比能量非常重要，這使得對之前傳質過程是快充主要速率限制的假設產生了新的認識。Fig 1 . 紐扣電池中的三電極示意圖A) 鋰參比電極是通過在銅線尖 端附加一小片鋰箔制成的B) 紐扣三電極由工作電極，Li參比電極，兩層隔膜，鋰片做對電極構成三明治結構Fig 2 動態EIS用于研究電極界面動力學A) 動態交流阻抗(DEIS)的電壓和電流曲線B) 由DEIS獲得的典型Nyquist曲線，石墨負極對參比和NCA正極對參比，等效電路分別進行擬合Fig3 NAC正極在充電過程中不同SoC下的NCA曲線。直流電流為0.3C，GEIS電流擾動為0.03C然而，除了以前專注于單電極的研究，圍繞著界面電荷轉移是否決定了鋰離子全電池的快速充電能力，如果是限制步驟，那是如何限制的，仍然然存在很大爭議。因此，三電極動態EIS提供了一種有效的思路。Fig 4 石墨負極在充電過程中不同SoC下，動態GEIS測試 DC電流0.25 C ，交流振幅為0.025 C.結論使用動態交流阻抗(DEIS)對三電極中正負極電荷轉移動力學進行了量化，不同于傳統穩態EIS, DEIS結合三電極可以獨立提取電池中正極或者負極的反應動力學。此外，在不同的電解質條件下，EC/DMC LiPF6(20.6 Ohm)與 EC/DMC LiTFSI （9.3Ohm）相比，NCA在不同的SoC下Rct減半。通過改進的電解質，FEC/DMC LiPF6，加速了鋰離子的去溶劑化，在快充條件下表現出更小的極化。參考文獻1. Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries,Angewandte Chemie International Edition ( IF 16.823 ) Pub Date : 2022-11-16 , DOI: 10.1002/anie.202214828, Yu-Xing Yao, Xiang Chen, Nan Yao, Jin-Hui Gao, Gang Xu, Jun-Fan Ding, Chun-Liang Song, Wen-Long Cai, Chong Yan, Qiang Zhang
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