原位电子结构研究

原位电子结构研究

   原位电子结构研究(Research on In-situ Electronic Structures 

  光电子能谱(AP-PES, ARPES, 2PPES, Spin-Resolved ARPES 

  扫描隧道显微技术与扫描隧道谱(STM/STS 

  近常压光进-光出光谱(AP-PIPOS 

  材料理论计算(First Principle Calculation 

  原位电子结构方向 

  材料中的电子态及电子间相互作用决定了材料的新奇性能。对材料中电子的能量、动量、轨道、自旋等多自由度的综合表征是理解材料微观物性的基础。本研究方向主要依托基金委重大科研仪器设备研制专项“基于上海同步辐射光源的能源环境新材料原位电子结构综合研究平台SiPME2”,致力于发展基于同步辐射光源的先进表征方法,全面开展超导、磁性、储能、催化等多种新型功能材料电子结构的基础研究。 

   主要研究课题包括: 

  1.    原位X射线谱学技术的发展 

  随着先进同步辐射技术的普及和发展,基于同步辐射的X射线谱学已成为研究复杂功能材料电子结构的最重要实验手段之一。但是,传统的光谱学方法,特别是在软X射线能区,需要超高真空的实验环境,因此制约了光谱学的应用。我们致力于发展基于同步辐射的常压/近常压谱学实验装置和测量方法,突破传统的超高真空实验壁垒,实现在真实环境和服役状态下对材料电子结构的原位表征,以期更准确地测量和理解材料基本物性随环境条件变化的趋势。 

  2.    自旋电子学 

  利用我们独创的超高效率自旋分辨光电子谱仪测量包括电子自旋在内的电子能带结构信息,研究表面、界面及固体中新颖量子物性的形成机理。研究的终极目标是理解非常规超导体的超导机理及发现室温量子反常霍尔系统。通过测量铁磁/超导、拓扑绝缘体/超导异质结的自旋电子状态及自旋极化的电子在超导体中的自旋弛豫过程,为理解新型界面超导体系及超导自旋电子学的应用奠定物理基础。通过测量铁磁/拓扑绝缘体界面的自旋电子状态研究铁磁和拓扑绝缘间的耦合,以期发现更高温度甚至室温的量子反常霍尔体系。 

  3.    新型量子信息材料 

   随着信息产业的高速发展,半导体器件单元越来接近其物理和能耗极限。通过利用新型量子材料中电子的自旋维度、及其电子能带结构的拓扑性质,是实现新型低能耗电子器件的一个重要途径。本研究方向主要利用基于同步辐射先进光源的谱学研究手段,例如X光磁圆二色性能谱、自旋分辨光电子能谱等,研究新型量子材料中的自旋极化电子结构;为实现超低能耗、非易失性(non-volatile)的电子信息器件提供全新的材料体系。 

  4. 强关联电子系统 

  主要利用原位角分辨光电子能谱以及X射线磁元二色谱等一些超高真空和同步辐射相关的谱学技术研究强相互作用电子系统中的各种新奇电子结构和磁学性质。具体包括分子束外延技术合成的强耦合薄膜、异质结和人工超结构;其他技术合成的新奇量子材料单晶,如电荷密度波材料、非常规超导体和具有新奇拓扑性质的材料等。 

  5. 表面催化反应机理研究 

  利用基于同步辐射X射线光谱、拉曼振动光谱等位先进界面原位表征技术,以及界面反应动力学实验测量及模拟,研究新颖能源材料表面化学和催化过程的微观机理。例如:二氧化碳气相降解以及电催化降解的机理;二维材料(石墨烯, WS2等)的生长机制及其应用;廉价氧化物电极在光、电解水中的微观过程以及催化活性位。 

  6. 储能材料反应机理研究。 

  利用多种基于同步辐射X射线光谱,开展包括锂离子电池、锂空气电池等能源转换和存储材料电子结构和构效关系的微观机理研究。主要研究重点包括:新型金属氧化物电极材料的储锂机制和能级调控;锂离子电池液固界面和新型全固态电池固固界面的形成机制;新型金属-氧电池电极表面生成物调控;锂空气电池催化材料的氧化还原反应活性位及催化机理研究。 

   本研究方向现有科研人员15名,其中研究员5名,副研究员1名,研究生等流动人员约30名。