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先进材料与结构分析实验室
发表时间 2017-05-19 09:40 来源 本站原创
  先进材料与结构分析实验室依托于中国科学院物理研究所而组建,主要致力于先进功能材料探索、制备和物性以及电子显微学及其在材料科学中的应用研究,注重基础研究成果的产业化工作。在准晶、纳米材料和强关联材料、新功能材料探索与晶体生长研究中,均曾取得重要研究成果,先后荣获“第三世界科学院物理奖”、“何梁何利奖”、“北京市科学技术奖”、“国家人才推进计划重点领域创新团队”、“北京市高层次创新创业人才支持计划领军人才”等三十余项国家、部委科技奖励及荣誉称号,是中科院和北京市的重点实验室。目前实验室的主要研究方向包括新功能材料探索和晶体生长、晶态材料原子和电子结构、纳米材料和介观物理、现代分析电子显微学及其在材料科学中的应用、电子显微学及电子晶体学图像处理。近五年来在碳化硅晶体生长与加工、铁基超导体、功能材料微结构、原子结构和电子结构、碳纳米管及相关器件、超快电镜研发、电子显微学等方面获得了一系列基础研究成果,同时在高技术产业化领域也取得了重大突破,形成了鲜明的特色。共获得近百项国家发明专利以及多项国际发明专利,在Science, Nature, PRL, JACS, Adv. Mater. 和Nano Lett.等国内外一流学术期刊上发表论文多篇。实验室的目标是力争建成国内一流、国际知名的集新材料研究、产业化、人才培养和结构测试平台于一体的重点实验室,服务于国家和北京市新材料研究和产业化。部分典型工作介绍如下:   ARM 200CF 冷场双球差投射电子显微镜   1.大尺寸宽禁带半导体单晶衬底的制备和产业化   碳化硅(SiC)是种宽禁带半导体材料,具有禁带宽度大,临界击穿场强大,热导率高,饱和漂移速度高等诸多特点,被广泛应用于制作高温、高频及大功率电子器件。陈小龙团队与北京天科合达蓝光半导体股份有限公司合作,解决了6英寸扩径技术和晶片加工技术,成功研制出6英寸SiC单晶衬底。拉曼光谱测试表明生长出的SiC单晶为4H晶型,(0004)晶面的X射线衍射摇摆曲线半高宽仅27.2弧秒,表明了晶体结晶质量很好。这一成果标志着物理所的SiC的单晶生长研发工作已达到国际先进水平。6英寸SiC单晶衬底的研发成功,在国内属于首次报道,为高性能的SiC基电子器件的国产化提供了材料基础。2016年11月,天科合达公司成功在新三板上市,成为第三代半导体行业首家在“新三板”挂牌的企业。   6英寸n型4H碳化硅晶片   2.新型超导体及功能材料探索   陈小龙研究团队以探索新型高温超导体为目标,发现了KxFe2Se2 和系列含氨的金属插层铁硒基高温超导体。其超导转变温度(Tc)分别为约30 K 和30-46 K,而且在结构和物性上与铁砷基超导体及铁硒二元超导体明显不同。该系列工作将铁硒基超导体发展为与铁砷基超导体并列的另一类铁基高温超导材料,开辟了国际超导研究新方向,引发了第二次铁基超导研究高潮,并对后续超导研究产生了重大影响。汤森路透在《研究前沿2013》中将该团队开辟的“Alkali-doped iron selenide superconductors”列为物理学10个最活跃前沿研究的首位。除新超导材料外,陈小龙研究团队还在新型光电和磁性材料等领域取得进展,如成功预言了具有类石墨烯特点的二维晶体材料:T-graphene。在大尺寸单晶LixFe7Se8中成功实现了电子的Anderson局域化,先后在SiC晶体中实现了由非磁性元素及空位诱导的自发磁化、高效光催化活性以及中红外激光输出等,进一步拓宽了SiC晶体的应用领域。研究结果被发表在Science Advance、PRL、JACS、Advanced Materials 等杂志,受到同行广泛关注。   3. 功能氧化物原子结构与电子结构   谷林研究团队致力于功能材料的原子结构和电子结构研究,近年来,取得了若干重要进展:1)在能源材料领域,从原子尺度上对锂离子电池、钠离子电池的电极材料进行高分辨原位表征,为高性能锂离子电池、钠离子电池电极材料的制备提供了有力的实验支撑。2)在催化剂领域,研究了(Fe,Ni)-Pt纳米颗粒、五重对称的Pd2NiAg纳米孪晶以及Pd/TiO2纳米颗粒的催化机制,通过对样品表面和界面高分辨的成像与表征,建立了结构与性能之间的对应关系,阐明了几种材料生长和催化的关键机理。3)在可再生能源材料领域,提出了三种新型高效的催化剂,可分别应用于一氧化碳的氧化、不饱和烃类和醛类的氧化,以及对于燃料电池或金属空气电池中氧气的还原。这些催化剂体系具有高的耐用性和低的制备成本,其独特的结构与性能关系具有突出的借鉴价值。研究结果被发表在Science、Nature Comm.、JACS、Advanced Materials等。   4. 纳米材料与介观物理   周维亚团队致力于碳纳米管基复合薄膜的界面结构、多尺度耦合效应和综合性能及新型器件的研究。   1)制备出高抗拉伸、大比电容的CNT/PANI波纹结构异质复合薄膜。组装了可拉伸、高性能的赝电容型电容器,在0-120%往复拉伸1000次,仍能保持性能稳定(Nano Res., 7, 1680, 2014)。2)制备出CNT/PEDOT波纹结构复合纤维阵列,组装出双向可拉伸超级电容器(Nanoscale, 7, 12492, 2015)。3)设计一种可压缩复合结构电极,分别利用了海绵的可压缩性能,碳纳米管的抗形变能力,聚苯胺的高赝电容特性,组装出可压缩超级电容器(Adv. Mater., 27, 6002, 2015)。4)设计一种石墨烯/纸复合薄膜,其独特的微结构使其电导率在不同弯折状态下基本保持不变,构筑了一种可弯折超级电容器(Adv. Mater., 26, 4855, 2014)。5) 此前的薄膜型超级电容器厚度一般在20微米以上,无法满足柔性皮肤电子学器件的实际要求。团队提出了一种分步分离技术,实现了器件和衬底的无损分离,制备出一种超薄(1 微米)、高性能的皮肤型超级电容器(ZL 201310137010.5)。这些柔性超级电容器显示出在可穿戴、生物兼容、皮肤型器件中的应用前景。   可拉伸应变传感器: 探测人体关节活动   5.研制时间分辨透射电子显微镜   2014年,李建奇团队成功研制了国内首台时间分辨超快透射电镜,其时间分辨率达到1皮秒,空间分辨率0.3nm。在皮秒时间尺度研究了多壁碳纳米管的各向异性晶格热膨胀响应和TaSe2中电荷密度波相变过程。   (a)国内首台时间分辨电子显微镜照片,右上角插图为单电子衍射花样。热发射电子
(b)和光发射电子
(c)拍摄的碳纳米管高分辨图像。
(d)碳纳米管半径方向晶格的超快响应的特征时间为6皮秒。
  6.多铁性材料RMnO3的微结构研究   禹日成团队利用球差校正扫描透射电子显微镜在原子尺度上对YMnO3中的多铁畴壁和多铁畴涡旋进行了研究,首次从实验上直接观察到铁电畴壁和平移畴壁的耦合,观察到所有的四种180度畴,发现畴壁尺度在一个单胞以内,确定了畴壁类型,验证了先前的理论预言。此外团队还首次从实验上直接观察到多铁畴涡旋,发现畴涡旋中心区大小约为四个单胞,并提出了多铁畴涡旋的结构模型。这些原子尺度上的实验发现为六方RMnO3体系中多铁性畴壁的理论和实验研究提供了坚实的基础。(部分成果发表在Sci. Rep., 3 (2013) 2741)。并研究了YMnO3在电子束辐照下的结构演化行为,指出了诱导调制结构的原因,结合第一性原理研究了产生铁电性的机。这些实验发现为六方RMnO3体系中多铁性理论和实验研究提供了坚实的基础。   (a)沿六方YMnO3 [100]方向的多铁畴涡旋的HAADF像。可以在原子尺度上直接区分出α+-γ−-β+-α−-γ+-β−畴配置。
(b)沿[001]方向的畴涡旋结构模型。可以清楚地看到涡旋核心周围三对轮转的畴壁。
  实验室按照国家重点实验室管理模式,积极贯彻“开放、流动、联合、竞争”,为国内外先进材料和结构分析领域的专家学者提供学术交流和实验平台。现有专家包括:现任学术委员会主任的解思深院士,物理学家,2003年当选为中国科学院院士。2004年当选为第三世界科学院院士。国家纳米科学中心首席科学家,“973”国家重点基础研究发展规划“纳米材料与纳米结构”项目首席科学家。实验室主任陈小龙研究员,洪堡学者,1999年国家杰出青年科学基金获得者,2003年中科院百人计划入选者,享受国务院政府特殊津贴。2004-2012年年任中国晶体学会副理事长,2016年担任国际衍射数据中心(ICDD)副主席。2016年入选第二批“万人计划”领军人才。实验室副主任谷林研究员,2010年入选中国科学院“百人计划”,获得“优秀青年基金”和“青年拔尖人才计划”支持。2015年获北京分院第二届“启明星”优秀人才奖。   实验室现有科研人员28人,研究生61人。其中中国科学院院士3人(2人当选第三世界科学院院士),研究员12人(其中有6人入选中科院“百人计划”,2人获国家杰出青年基金,2人获国家优秀青年基金,1人获中组部“青年千人”,1人获北京市领军人才),副研究员7人(其中2人入选中科院“百人计划”,1人入选北京市科技新星计划)。学术委员会由国内外相关领域的16位专家组成,其中包括科学院院士6人,负责指导和建议实验室的研究方向、管理制度与运行模式。近五年实验室共毕业学生60余人,其中50人取得博士学位。实验室还通过设置对外开放课题、邀请国内外知名教授来室讲学、派出研究人员交流访学等方式加强对外学术交流与合作;近五年主办十余次国际/国内会议,在国内外会议作特邀报告数达120余次。实验室在物理所每年举办公众科学开放日活动中所做的多项科普演示实验,深受多所大中小学和社会各界群众的欢迎。   实验室研究人员和研究生合影
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