材料与物理研究

材料与物理研究

   材料与物理研究(Research on Quantum Materials 

  超导新材料(Novel Superconductors 

  石墨烯薄膜、粉体及其应用(Graphene Film, Powder and Applications 

  材料与物理 

  材料与物理研究方向以材料科学和凝聚态物理学为基础,研究材料制备(加工)工艺、材料结构、材料性能以及三者之间的内在联系。聚焦常规、非常规超导和二维原子晶体、拓扑相关量子材料等新兴能源、信息功能材料及其异质结构,研究材料与异质结的电子结构、输运和调控特性,阐明物理机制和调控因素,发现具有优异特性的器件新材料,揭示材料参数和器件性能之间的复杂关联,为发展新材料、新器件和新工艺提供科学基础,推动材料、物理、器件与应用的协同创新。 

  材料与物理研究手段涉及材料的制备与表征。实验室拥有马弗炉、高温高压反应器等多种单晶和多晶块材生长设施,分子束外延、脉冲激光沉积、原子层沉积、化学气相沉积等薄膜生长设备。表征手段包括综合物性测量系统、磁学测量系统、扫描隧道显微镜、探针台、拉曼光谱仪、粉末X射线衍射仪,以及基于同步辐射光源的先进谱学实验方法和设备(原位电子结构研究方向),超导工艺平台的微纳加工和电子显微镜表征手段等。研究层次从宏观、介观到微观,物质维度从三维到二维和准一维,实验外部环境从常规条件到极端条件乃至多种极端条件交叉作用,结合凝聚态理论与计算模拟,同“超导电子器件与电路”、“超导器件前沿应用探索构成一个完整的创新价值链。 

  材料与物理目前已部署超导材料物理、表界面超导、二维材料、扫描隧道显微学、介观电子学、凝聚态理论与计算材料学等科研方向。 

  超导材料物理致力于探索与开发具有学术价值和应用前景的新型超导材料,合成高品质超导单晶样品,开展电、磁、热力学性质等方面的物性与机理研究;探索强关联电子系统和低维材料在极端条件下(高压、高磁场、低温)的新量子相,通过磁、热、电输运等测量手段,研究量子相变、量子临界行为以及支配这些行为的内在规律。 

  

 

  磁力矩方法获得铜基高温超导Bi2201的超导涨落相图 

  表界面超导基于薄膜沉积技术,结合理论计算,开展低维量子材料/复杂氧化物异质界面的生长、新型物性及调控研究。当前研究内容包括低维铁基超导材料制备和超导电性调控、铁电场调控氧化物异质界面超导电性等研究课题。 

  二维材料研究针对以石墨烯为代表的二维晶体材料及异质结构。(1)新型二维材料的化学气相沉积生长机理研究。围绕石墨烯、氮化硼等二维原子晶体在微电子应用领域面临的重大科学问题,开展六角氮化硼表面二维单晶形核控制、外延生长、异质结构构筑和器件应用等方面的探索,做出一批具有国际影响力的创新性工作。(2)石墨烯粉体小组经过多年积累,在化学方法制备石墨烯方面建立了坚实的基础,石墨烯粉体材料质量和制备效率持续提升,目前重点开展石墨烯在导电、导热、防腐、增强等方面的应用基础研究,未来几年寻求在石墨烯-金属复合材料、石墨烯-高分子复合材料等领域的重大突破。(3)利用机械剥离等手段制备高质量二维晶体材料及其异质结,通过输运测量手段研究其电学性能及奇异的物理现象,理解现象背后的物理意义,探索它们的潜在应用。 

 

  Ni-Cu合金表面快速生长晶圆级石墨烯单晶(左)和同位素技术对合金衬底石墨烯生长机理分析(右)(Nature Materials 15, 43 (2016) 

  扫描隧道显微技术利用量子力学中的隧道效应获取材料表面微观形貌和电子结构信息,同时具备原子水平空间分辨本领和高精度电子谱学测量功能,在凝聚态物理和材料科学前沿领域得到广泛应用,成为从电子层面认知材料物性、从量子尺度开发材料功能不可或缺的实验手段。我们面向超导、石墨烯、拓扑绝缘体等新兴量子材料和人工结构,运用扫描隧道显微实验手段,从量子尺度探索其中蕴含的奇特物理现象,对以超导为代表的关联电子系统,石墨烯、拓扑量子态等低维材料和低维物理现象,及其异质结构,开展物性与机理方面研究,为探寻新原理、新器件提供关键理论和实验基础。 

   

  过渡金属插层石墨烯的原子分辨形貌像 

  介观电子学以石墨烯纳米结构及器件为突破口,瞄准石墨烯研究的国际前沿,围绕石墨烯在微电子应用面临的主要科学问题,进行原始创新,探索石墨烯微电子学应用的发展方向及技术路线。近期在石墨烯边界手性调控和纳米带可控制备等方面取得重要突破,在此基础上制备的场效应晶体管电学性能已能基本满足数字电路研发的需求。 

  

  六角氮化硼与石墨烯纳米带平面异质结(Nature Communications 8, 14703 (2017)