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[成果] 1900010380 北京
O488 基础研究 自然科学研究与试验发展 公布年份:2018
成果简介:该项目属于低维物理和表面与界面物理学中的自然科学基础研究。 长久以来,人们通常认为单原子层的完美二维体系是不稳定的,而石墨烯的出现打破了这一错误认识,激起了人们对二维体系的研究热情。但是,现代电子工业以硅元素为基础,是否能在硅上实现狄拉克电子特性是一个巨大的难题。硅与碳为同一主族元素,但硅的二维同属异形体在自然界中并不存在,其是否具有优异的物理特性也尚未可知。从理论上出发,如果把硅做成类石墨烯的结构(即硅烯),其将具有类似石墨烯的量子特性。然而硅在自然界中最稳定的结构是金刚石结构,并不存在与石墨烯相对应的二维结构。因此,在实验上实现硅烯,其科学重要性将可以比拟石墨烯的发现。该项目不仅成功制备了硅烯,同时对其进行了系统性的实验研究,主要包括: 制备出自然界中本不存在的硅的二维同属异形体--硅烯,为进一步研究硅烯的新奇物性及可能的工业化应用奠定了基础。该项目通过在超高真空环境下 精确的分子束外延控制,利用界面相互作用实现了硅原子在衬底上的二维化生长,得到了单层硅烯薄膜,发现了硅烯独特的翘曲结构,成为继石墨烯后的第二个实现的单元素二维材料硅烯,是进一步对硅烯的新奇物性进行研究的基础。继硅烯之后,国际上开始了单元素二维材料的研究热潮,几年内研究人员成功实现了锗烯、锡烯、黑磷等二维材料,展现出了二维材料在未来基础和应用研究中的重要前景。 发现了硅烯在低温下奇异的结构相变,实现了对硅烯的结构调控,获得了近自由状态的硅烯超结构。硅烯中硅-硅键的键长较长、键能较弱,容易受到外界环境的变化而发生改变。该项目通过结构调控,获得了硅烯独特的超结构,并发现其在低温下表现出奇特的结构相变。这一独特的超结构不但保持自由状态下的狄拉克电子特性,并且在狄拉克点打开能隙。这项工作展示了如何得到具有近自由状态的硅烯,其独特的电子结构在未来器件中的应用极为有利。体现了硅烯翘曲结构的易调控性,对硅烯的应用具有重要的推动作用。 证实了硅烯的狄拉克-费米子型电子结构及其拓扑性,发现了硅烯中可能存在的超导相变,展示了硅烯独特的电子结构。硅烯最主要的量子特性为狄拉克型电子结构,未实现硅烯之前,硅烯的量子特性描述仅仅停留在理论描述上,实际上硅烯是否存在这些诱人的量子特性没有得到实验上的证实。以硅烯的成功制备为基础,该项目首次在实验上观察到了硅烯存在线性动量能量色散,并证实了硅烯中的准粒子存在赝自旋,支持了理论预言硅烯有着与石墨烯相似的电子态。同时,该项目发现了硅烯在低温下存在着出现巨大能隙、有着六角弯曲的能带结构等现象,这些都说明硅烯自身有着独特的电子特性,在新奇量子现象的探索研究中存在用武之地。 该项目的五篇代表性论文他引总次数已达到1035次,其中四篇文章(代表性论文1-3,5)都为ESI高被引论文,引用次数分别为531次,123次,369次和72次,并作为硅烯成功制备和新奇电子结构研究的重要证据被多篇综述文章引用介绍。项目主要完成人陈岚研究员于2013年获得了国家自然科学基金委优青项目支持。
[成果] 1800130420 北京
TN201 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2018
成果简介:该项目属物理学中的光学与凝聚态物理学的共同前沿领域。 层状量子材料表现出不同于传统块材的一系列独特的量子特性。通过超快光谱实验方法研究层状量子材料,可以获得电荷、晶格、自旋、轨道等自由度的激发态超快动力学过程以及其相干态物性。这对于全面揭示物质层状结构引起的物性和规律具有重要的科学意义。 如同整个“量子材料的超快光谱学”是中国的弱项一样,层状结构物质的超快光谱一直以来是短板,基础弱、底子薄,实验研究周期长。以该项目成员为代表的中国科学家在该领域迎难而上,潜心研究,取得了突破性进展,主要成果包括: (1)获得了单层FeSe/SrTiO3界面高温超导体(该项目所需样品由清华大学薛其坤团队提供)的超快动力学。除了观测到超导相变的超快动力学判据,更重要的是实验观测了较难获得的电-声耦合强度,为体材料的3倍,对理解高温超导机理具有重要意义。观测到保护层中相干态声学支声子,解释了覆盖层降低Tc的原因。该工作被哈佛大学J.E.Hoffman教授在Annu.Rev.Condens.Matter Phys.中评述,被美国科学院E.W.Plummer院士、中科院向涛院士、陈仙辉院士、贾金锋教授等引用。基金委主页、中科院主页等多家科研媒体追踪报道。该工作改变了中国(包括北京市)在高温超导体的超快动力学领域落后的局面。 (2)在一系列层状量子材料中实现了激光诱导的电子相干性,国际上首创提出以空间自相位调制(Spatial Self-Phase Modulation,简称SSPM)实现,不同于以往方法。国际上首次提出并实现了基于SSPM的全光开关,为2D(Two-dimensional)材料在光子学中的应用开创了一个崭新的前景,为激光调控量子材料以获得新奇量子态提供了机遇。该系列研究被美国科学院P.L.McEuen院士、爱尔兰皇家科学院W.J.Blau院士、中国工程院范滇元院士等引用。期刊《物理》将其作为封面故事报道。 (3)发现了一种新的光与凝聚态物质相互作用的形式-光致发声,这是一种与光致发光并列的物理现象。首次实现了超快激光对声波的相干调控,为光能转化成声能方面的应用开辟了道路。中科院主页及《物理》均进行了报道。 (4)在多铁材料RFe2O4体系中首次观察到了2D电荷有序态和自旋有序态,丰富了对层状材料中的新奇量子结构的认识,拓展了光学方法在其中的应用。 该项目在光学、凝聚态物理学两方面的前沿都取得突破,是对国际上“量子材料的超快光谱学”领域的重要贡献,促进了中国(包括北京市)的基础研究发展。
[成果] 1900010817 北京
TB383 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2018
成果简介:纳米材料呈现出与块体材料截然不同的性质。常规的测量方法和仪器技术通常获得的是宏量样品的平均效应,往往掩盖了单个纳米结构和局域微区的本征结构及其特性。因此,发展高分辨纳米表征方法和测量技术是纳米科学和材料研究的基本任务和最具挑战性研究方向之一。在过去十多年里,中科院物理所白雪冬团队通过发展原位透射电镜纳米表征方法,研发仪器技术,实现了在原子尺度原位观测材料结构及其性质,获得了纳米研究和材料科学的一些基本规律和认识。该项目在方法上的创新性和科学发现及其价值概括如下: 一、发展原位透射电镜纳米表征方法,解决了常规方法和仪器难以测量纳米尺度材料和材料微区的一些难題。 提出了原位电镜材料微区光谱、纳电子器件电输运性质和线形纳米材料力学模量的测量方法;研制了透射电子显微镜-扫描探针联合装置,集纳米操纵、性质测量和结构表征于一体,实现了原位测量单个纳米结构/微区光、电、力等综合性质,实时成像动态物理和化学过程,在原子尺度表征结构与物性的关系,首次实现了原位透射电镜纳米光学、电子学、光电力耦合性质测量功能。发明的纳米材料性质和基本参数测量方法以及相关仪器技术被国内外同行采用。 二、应用原位透射电镜方法,在原子尺度观测表征固态离子输运特性;测得一些纳米材料的本征性质。 1、原位实时成像固态离子输运与界面反应动力学过程 在原子尺度揭示了几类典型固态电化学体系离子输运、界面反应和材料结构相变的动力学特性。1)原位观测过渡金属硫族化合物层状材料的碱金属离子插层动力学过程,揭示了离子嵌入诱导结构相变的原子机制:2)直接观测到二氧化铈在电场驱动下氧空位序的形成、迁移和修复动力学过程,提出了电场辅助降低二氧化铈催化剂工作温度的新方法。3)实时观测介质中银离子传输和银纳米团簇电化学传质过程,获得了阳离子型忆阻器的一种物理机制。 2、解决了纳米操纵和纳米测量的一些难题,测得一些纳米材料的本征物性。首次实现单根纳米管场电子发射和原位结构与发射端表面功函数测量;首次定量表征碳纳米管电输运性质和手性指数的对应关系;实现了单根氧化锌纳米线的操纵与性质测量,发现纳米线显著的光、电、力多场耦合与性质调控特性。 该项目已授权10项发明专利,8篇代表性论文被SCI他引511次。研究成果多次被Phys org等学术网站作为亮点工作报道。项目的表征方法及其科研应用成果产生国际影响,完成人白雪冬连续受邀在美国MRS秋季材料会议(2012、2014、2017年)、美国真空大会(2014年)等国际会议上做邀请报告。白雪冬2007年获得基金委杰青、2015年获得中国物理学会胡刚复奖、2016年入选国家万人计划领军人才:项目完成人王文龙2013年获得基金委优青。项目已培养4名博士后和14名博士毕业生。白雪冬主持的国家973项目“基于扫描探针技术的纳米表征新方法研究(2012CB933000)”已通过结题验收,评估结果为优秀。
[成果] 1800130435 北京
Q78 基础研究 自然科学研究与试验发展 公布年份:2018
成果简介:该研究团队致力于研究染色质高级结构与表观遗传调控的分子机理及其生物学功能。在30nm染色质纤维的结构解析和调控机理,染色质结构和细胞命运决定的分子机理等几个方向开展了系统深入的研究,取得如下主要创新成果: 1)国际上首次解析了高精度的30nm染色质纤维结构(11埃)(Science,2014,Research Article); 2)发现“四核小体”是染色质形成的重要结构单元,受组蛋白伴侣FACT的负调控(Mol Cell,2016); 3)阐明组蛋白分子伴侣DAXX识别组蛋白变体H3.3的分子机制(Nat Struct Mol Biol,2012); 4)揭示组蛋白变体H3.3和H2A.Z在基因转录过程中对染色质高级结构进行协同调控的分子机制(Genes and Dev.,2013); 5)揭示组蛋白变体CNEP-A动态调控染色质高级结构与动粒蛋白CENP-N装配的分子机理(Genes and Dev.,2015); 6)揭示人巨细胞病毒的IE1蛋白识别核小体和调控染色质高级结构的分子机制(eLife,2016); 7)揭示异染色质作用因子Sir3识别核小体和调控染色质高级结的分子机制(Nat Struct Mol Biol,2013)。 基于上述原创性研究工作,成果分别发表在Science,Mol Cell,Genes & Dev.,Dev Cell,Nat Struct Mol Biol,eLife等国际著名期刊,被他人引用278次。研究工作受到Science、Cell和Nature reviews等权威期刊的亮点评论,并得到国内外多家媒体的关注和报道。Science编辑部以“Double Helix,Doubled”为题进行专门介绍,并同期刊发英国剑桥大学的Andrew Travers教授撰写的题为“The30-nm Fiber Redux”的视点评论。研究工作发表后受到国内外学术界的广泛关注,入选Patrick Cramer博士“A Tale of Chromatin and Transcription in100Structures”(Cramer P.,Cell,2014),并被世界著名的最新版生物化学和结构生物学相关教科书收录。 因项目的突出贡献,候选人多次应邀出席国际会议并作大会报告,获国家“杰出青年基金”支持,入选中组部“万人计划”(中青年科技创新领军人才)、“第十届谈家桢生命科学创新奖”、“HHMI国际学者”等。“30nm染色质纤维结构”入选“中科院十八大以来重大成果”以及“中科院十二五标志性重大进展核心成果”。
[成果] 1800180020 上海
O53 基础研究 自然科学研究与试验发展 公布年份:2018
成果简介:随着超短超强激光技术的发展,相对论激光等离子体物理及其应用成为物理学一个重要前沿。 其中强激光在等离子体中激发出的大幅尾波场可以承载比传统射频加速结构高出3个数量级的加速梯度,这种新型加速结构被视为极具潜力用于建造新一代紧凑型加速器和辐射源装置。2004年Nature杂志以“Dream Beam”为封面在同一期发表了三篇有关等离子体中通过激光尾波加速产生准单能电子束的研究论文,随后尾波加速研究在世界范围内得到了迅猛的发展。激光尾波加速及辐射获得应用需要解决的关键问题包括被加速电子束品质的提升、高效多频段辐射产生及其控制等。十余年来项目组围绕这两个问题开展了系统的理论和数值模拟研究,多项理论工作得到实验验证,产生了重要国际影响。主要的创新点有: 1.提出了基于高价原子离化的电子注入机制,为实现高品质电子加速提供了解决方案,被国际实验研究组广泛验证。 尾波加速要获得高品质的电子束,电子注入是极其关键的一环。项目组通过自己开发的带有离化模块的程序,首先从理论上研究并证明了离化注入机制的可行性。随后又分别针对尾波加速中电子束能散控制和发射度品质提升,提出了离化注入自截止、及双色光离化注入机制,使得电子束能散和发射度分别比已有方案降低一个数量级。离化注入机制已经被国内外大量实验所证实,该机制已经成为等离子体加速中控制电子注入最有效的方案之一。项目组成员应邀在Springer出版的激光加速和应用专著中综述介绍离化注入机制。 2.提出了利用激光尾波产生从太赫兹到X射线频段的高效辐射机制,获得实验证实。 通过计算机模拟和理论分析,项目组首次发现了通过等离子体密度梯度上升沿可以实现从等离子体静电波到电磁波的模式转换。利用该机制通过强激光与气体靶和固体靶作用,可以产生强度高达GV/m的太赫兹辐射以及高效率的高次谐波辐射,上述辐射获得国际同行的实验验证;提出利用等离子体密度上升沿到平台转换区的尾波相速度突变,产生阿秒电子层注入及阿秒电磁脉冲辐射的机制;提出了利用激光尾波演化产生多次电子注入,分别实现高品质电子束和另一个大振幅横向振动电子束,并产生相应高亮度X射线Betatron辐射,并开展了实验证实,为利用其中电子束和X射线开展泵浦探测技术及其它应用研究奠定了基础。 这些工作为激光尾波场驱动的电子加速和辐射机制研究提供了新颖的解决方案和思路,得到了国际同行的广泛引用和高度评价。从2004年至今项目组在有关激光尾场加速方面共发表SCI、EI论文47篇,其中8篇代表论文被SCIE他人引用234次。项目组成员在有关该领域重要国际会议上做邀请报告50多次。部分基于这些研究成果,该项目第一完成人荣获2007年度长江学者奖励计划、2007年度中国物理学会饶毓泰物理奖,2016年度海外华人物理与天文学会亚洲成就奖等。
[成果] 1800290065 江苏
TM912 应用技术 电池制造 公布年份:2018
成果简介:该项目通过全面、系统的分析,凝练出影响锂空气电池安全性、能量密度和寿命的深层次物理与化学问题,进而有针对性地开展锂空气电池性能演变及安全机制、关键材料设计与可控制备的理论基础、及高性能锂空气电池新体系构建的基础科学问题的研究。主要目的在于从源头上理清纳米催化材料和多孔空气电极在能量转换和储存过程中的机理,掌握离子、氧气分子等运输机制,电解质在分子水平上的优化设计以及与纳米催化材料之间相容性的提高等。 制备了高性能碳基催化材料及多种具有双效催化功能的纳米催化材料,包括Fe2O3/graphene正极催化剂和新型三维石墨烯-硫化钼气凝胶催化剂等,有效降低了ORR和OER过程中的过电位,提高了电池能量转换效率,减少了副反应。 对锂氧气电池的电解液进行了一系列的改进及优化;同时,也进行了一系列新型电解质的研究。如新型的LiFSI盐、八甲基环四硅氧烷(OMTS)添加剂、含有0.05M LiI的聚合物电解质、锂化全氟磺酸新型聚合物电解质以及呋喃(2-Me-THF)电解液、碳酸酯(PC)电解液中的Li+/Li电对的电化学行为研究,为锂氧气电池的能量密度提升提供了保证。 提出了一系列对锂氧电池负极改性的方法。如设计并合成具有3D柔性结构以及自愈合等多功能的新型聚合物电极粘结剂(PAA-P(HEA-co-DMA))以使商业化的SiO材料具有优异的循环性能和倍率性能、金属锂负极表面构建由烷基碳酸锂以及氯化锂组成的有机-无机杂化保护层,大大提高了金属锂的循环寿命。 在原位表征技术方面,利用电化学原位红外反射光谱研究了非水体系中O2电催化还原及氧化物分解过程的表面反应与动力学;将原位电化学红外谱学技术拓展至锂氧气电池电解液的不稳定性研究中,在分子水平上实时监测DMSO和分解产物在金表面的吸、脱附过程,初步揭示了DMSO的分解与电位以及活性中间产物间的关系。
[成果] 1900010382 北京
TL56 应用技术 其他电子设备制造 公布年份:2018
成果简介:粒子加速器是前沿研究中最为重要的工具之一,随着加速能量的不断提升,加速器变得越来越庞大,占地和造价成本高昂。激光等离子体加速具有极高的加速梯度,实验已证实激光尾场加速可以在9cm距离内产生>4GeV准单能电子束,但加速比电子重1800倍以上的离子束则比较困难。通常采用靶后鞘层加速,结果离子能量低、能散大(100%能散)。项目提出和实现了稳相光压加速和临界密度等离子体透镜等新方法,可实现大梯度、低能散和高效率的离子加速,有望成为新一代的加速方法。该项目主要成果如下: 针对激光加速离子束能量低、能散大等问题,提出和实现了稳相光压加速机制。当激光场振幅和固体面密度满足一定匹配关系时,利用激光和薄膜靶相互作用可同时实现对离子的加速和聚束。理论上可提高离子加速效率二个量级,能散降低到10%以下。单篇论文SCI最高他引188次。采用光压加速机制国际上已经实现了500MeV碳离子和93MeV质子的能量记录。俄罗斯Sergeev在Phys. Rev. Lett.和美国UCLA的Joshi在Nat. Phys.等论文中给予了大篇幅引用。 针对实验中发现的等离子体不稳定性等瓶颈性物理问题,提出了临界密度等离子体透镜方法,可以实现对相对论激光的聚焦和整形,提高激光聚焦光强一个量级。项目进一步提出纳库级自聚焦GeV质子束新方案,解决了光压加速过程中存在不稳定性和中心击穿等瓶颈问题,激光离子加速器有望成为高能加速器的低能前级注入器。单篇论文SCI最高他引223次。意大利Macchi在物理权威综述期刊Rev.Mod.Phys.进行了大篇幅引用。 利用化学气相沉积技术,制备出平均密度约为1%固体密度的碳纳米管泡沫薄膜。单篇论文SCI最高他引154次。权威综述论文Chem. Rev.等进行了大篇幅引用。已有实验证实该纳米泡沫薄膜等离子体透镜可提高离子能量3-4倍。 该项目研究成果被欧美俄等国家和地区的知名学者作为重要进展写入专著或综述论文(如Rev.Mod.Phys.,Rep. Prog. Phys., Rev. Acc.Sci.&Tech., Nat. Phys.和Phys. Rev. Lett.等),8篇代表文章共被他引905次(SCI 839次),其中稳相光压加速文章入选ESI高被引论文榜,也获得国家发明专利两项。这些工作是对激光加速理论的发展,对于激光离子加速理论和应用起到重要的推动作用。世界上已经广泛地开展了激光驱动质子束用于肿瘤细胞辐照和温稠密态产生的研究,未来激光离子加速器也可以作为高能加速器的低能前级注入器,甚至发展新一代光源等。
[成果] 1900010825 北京
TB383 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2018
成果简介:该项目属于材料科学与技术领域。 低维材料与结构表现出独特的尺寸效应和量子效应等新奇物理现象,为构筑高性能和新功能的纳米器件提供了可能,对未来信息社会的进步与发展具有重要的价值。但如何在室温下发现并呈现低维材料与的新奇物理特性,并基于这些新奇特性构筑纳米器件与电路,一直是困扰该领域的难题之一,也是实现纳米材料与器件应用所急需解决的关键问题。围绕低维材料新奇物理特性的发现及纳米器件的构筑方法,该项目利用纳米尺度的可控加工与测量新方法,系统研究了几种纳米材料的新奇物理特性和相关纳米器件的构筑,获得了如下科学发现: (1)在纳米材料新奇物理特性研究方面,发现了多壁碳管多通道弹道输运特性,具有高电流承载能力,建立了多通道弹道输运模型,并应用于纳米器件的互联导线。通过扫描电镜内多探针原位物性测量方法的发明,实现了测量探针与多壁碳纳米管内层管壁的直接接触,发现测量的量子电导比仅测外壁提高了二个数量级,这是由于碳纳米管多层管壁共同参与了导电过程,是一个多通道的弹道输运过程。该发现表明多壁碳纳米管有望成为纳电子器件及集成电路的下一代互联导线,主要成果作为封面文章发表在《Physical Review Letters》上(代表性论文1), SCI他引214次。 (2)在纳米器件新奇物理特性研究方面,发现了利用金属纳米点接触钉扎磁畴壁的动力学规律,构筑成功利用电驱动和电检测的全金属纳米磁逻辑电路,实现了与传统的CMOS技术兼容。通过采用纳米尺度可控加工新方法,制作出铁磁金属纳米点接触结构,发现了点接触宽度与磁畴壁钉扎的动力学规律,设计并研制出利用仅靠电驱动和电检测的全金属纳米磁逻辑电路,主要成果发表在《Nature Nanotechnology》上(代表性论文2), SCI他引67次。 (3)对传统高分子材料的物性有了新认识。基于单根纳米材料与器件加工的新方法,实现了对单根导电高分子纳米线本征电导的直接测量,观察到比体材料和薄膜材料高2-3个数量级的电导值,发现了室温下导电高分子纳米线的电导反常尺寸效应等新奇特性,表明可以通过控制纳米线直径等参数调控其电导率,为在纳电子器件方面的应用提供了实验和理论根据=成果发表《Progress in Polymer Science)上(代表性论文3),SCI他引317次。 这些创造性贡献对低维材料与器件的物性有了新发现,对传统低维材料的本征物性有了新认识,建立了基于低维材料新奇物性的新功能纳米器件的构筑方法,揭示了纳米尺度材料与器件的奇异构效关系。该项目的8篇代表性论文SCI他引1030次,包括Science、Nature等刊物的多次引用,并作为亮点报导,认为这些科学发现对纳米材料在器件与电路方面应用具有重要价值。项目组成员在国际会议上做邀请报告30余次,应邀撰写综述论文6篇,获授权专利12项,2007年获中国物理学会"胡刚复物理奖"。
[成果] 1900010818 北京
TP212.9 应用技术 通用仪器仪表制造 公布年份:2018
成果简介:以石墨烯为代表的二维材料是近年来兴起的一类战略性材料,已成为新一代器件的核心材料。石墨烯表现出来的一系列奇特的电子和物理特性使其在分子电子学,微纳米器件,超高速计算机芯片,高转换效率电池,固态气敏传感器等众多领域有着巨大的应用前景。然而,由于石墨烯的导带与价带之间没有能隙,做成晶体管器件很难实现开关特性,无法运用于现存的逻辑电路。如何在石墨烯中引入能隙,实现对其能带结构的调控,成为人们关注的热点问题。 自2009年起,该项目在中科院物理所完成的2项973项目(2012CB921302、2013CB934500)及1项国家自然科学基金重点项目(91223204)等资助下,在石墨烯的可控制备,纳米结构加工,能带结构调控,原型器件设计等方面取得了创造性的研究成果,重要的科学发现如下: 1.发展了一种气相外延生长技术,国际上首次实现了六方氮化硼表面单晶石墨烯的外延,由此发现了在氮化硼基底调制下的石墨烯具有超晶格结构,这种超晶格结构会对石墨烯的能带进行改造,在超晶格布里渊区的M点形成新的狄拉克点并打开了本征能隙。 2.发展了一种低温(550°C)、无需催化剂辅助的石墨烯生长技术,可在多种衬底上(如金属、氧化物、半导体表面)直接生长均匀的晶圆尺寸的石墨烯薄膜。实现了石墨烯缺陷的高质量修复,所有工艺均与传统半导体工艺相兼容。 3.发现了石墨烯面内各向异性刻蚀效应,开创了基于气相各向异性刻蚀自上而下加工石墨烯的新技术,发现了石墨烯纳米带和锯齿形(zigzag)边缘构型相关的一系列新物理现象,如局域金属性边缘态、载流子边缘弱散射、电声子耦合等,验证了具有锯齿形边缘构型的石墨烯纳米带边缘态相关的独特物理性质。 4.提出了一种石墨烯波纹结构应力传感器,应力测量范围超过30%;设计了一种基于隧穿效应的纳米石墨烯薄膜应力传感器,灵敏因子超过600,极大提高了石墨烯应力传感器的灵敏度,可广泛应用于人造电子皮肤。设计了基于石墨烯薄膜的低成本多态存储阻变存储器件,并发现了和阻变相关的可调电致发光现象,为石墨烯在新一代信息存储与传输、光互联等领域的应用提供了可能。 上述成果发表在8篇代表性论文中,被Nature,Nat. Chem.,Adv. Mater., Nano Lett., Phys. Rev. Lett., ACS Nano等SCI他引1065余次,单篇SCI他引最高292次。美国斯坦福大学教授、纳米电子学领域著名学者David G-Gordon,法国斯特拉斯堡大学纳米化学实验室首席科学家Paolo Samori教授,密歇根大学的Nicholas A. Kotov教授,麻省理工学院的Mildred S. Dresselhaus教授,中国科学院化学所刘云圻院士等多位国内外专家均肯定了该项目的成果,如“该项目可作为石墨烯氢等离子体刻蚀的参考标准”,“对实验上实现大规模图形加工制造有很大补充”,“图案化石墨烯用于非易失性存储器可有效避免碳管在高密度集成方面遇到的问题”。项目培养国家杰青1名,中组部拔尖人才1名,领军人才1名,相关成果曾获2013年中科院杰出成就奖。
[成果] 1800180677 上海
V250.2 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2018
成果简介:该项目属于空间材料科学领域,相关技术涉及机电热一体化自动控制、航天应用和材料科学的交叉学科。 在太空微重力环境下,对流与沉降等物理效应消失,有助于探索材料形成过程中的本征规律,发现新现象,获得高质量、高性能材料或开发新材料。近年来空间材料科学成为各航天大国抢占的技术高地之一,美国、俄罗斯、欧洲等开发出系列的先进材料实验装备,开展了几千次空间实验。中国的航天计划也高度重视材料研究,多次开展空间材料实验,但前期研制的实间实验装置功能单一,难以满足多种类样品、实验时间长、参数精确调控等新需求。 该项目在天宫二号对载荷体积、质量与功率的苛刻限制条件下,自主设计和研制出中国新一代综合材料实验装置,发展了双温场调控、航天员人机工效和热物性测量新功能,在高效保温、高精度控温及低速样品移动技术上取得跨越式进步,实现多工位样品在轨实验的全自动控制,全面超越前期的装置。 在天宫二号上,该装置完成了18种材料样品的高温实验,这是中国单次空间飞行任务中材料数量和种类最多的一次,也是实验时间最长、取得圆满成功的一次空间材料实验任务。期间,航天员对该装置进行了两次更换样品操作,并将实验后的样品带回地面。返回的样品结构完好,样品分析后均获得有价值的科学成果。 该项目的主要创新点如下: (1)突破了空间苛刻资源条件下的高效加热实验技术:发明螺旋式内绕加热技术,结合多项节能设计,开发出国际上首台可同时在大气和真空下可靠工作的发热结构,突破轻小型、低功耗、低壳温的高温加热核心技术,达到国际上同类装置中的最高加热能效比。还发明一种航天器载荷实验流程控制方法,在多种样品热负载以及多种环境差异化较大的条件下实现高稳定度的温度控制,在国际上首次实现高温加热装置的空间温场实际测量。 (2)首次实现中国航天员在轨参与空间高温科学实验操作:基于空间实验室空间狭小、微重力环境下操作难度大、操作时间窗口短等限制条件,发明用于空间材料实验旋转运动自动解锁技术,攻克兼顾运动机构抗冲击震动、机械灵活运动与方便操作的关键难题,提出合盖凸台、色环标识等原创性设计,实现了航天员参与高温实验操作,这是中国首套支持航天员参与实验的空间材料实验装置。 (3)研发了高可靠通用型样品安瓿设计技术:提出具备弹性支撑的紧凑结构、兼容抗冲击振动与高温热相容性,结合内表面发黑薄壁套管等多层复合结构的集成创新设计,研制出国内首套同时满足高安全可靠性、人机工效要求和多类别材料实验需求的通用型样品安瓿。 该项目获中国专利授权17项,颁布国家标准1项,报批国家标准2项。 该项目是中国空间材料科学发展中“承上启下”的关键一环,代表在该领域的最高技术水平,极大推动了材料科学的基础研究和学科发展。实验装置的机、电、热接口通用性强,相关技术在实践十号卫星和地面的定向凝固装置中得到推广,并已应用于中国载人空间站高温材料科学实验系统的研制中。
[成果] 1700470307 北京
TP212.13 应用技术 通用仪器仪表制造 公布年份:2017
成果简介:近年来,随着物联网、智能电网和人工智能的快速发展,国内传感器产业将迎来一个黄金时期。基于隧穿磁电阻(TMR)效应的新型磁敏传感器,由于其高性能、高可靠、低功耗和微型化等优点,在高端应用领域正逐步取代传统的低灵敏度磁性传感器。该项目针对传统磁性传感器遇到的技术难点,系统研究了新型磁隧道结(MTJ)材料、准一维复合结构磁性纳米线和纳米管及其磁敏传感器的芯片设计,并开展了相关器件的应用基础研究,获得了系列具有知识产权的先进研究成果,主要包括: (1)新型磁敏传感器件的设计。研制出4种结构类型的磁敏传感器原型器件;并利用有中国和美国专利授权的一款TMR传感器核心结构芯片设计,联合国内上游合作企业进行了委托加工及4批次中试,制备出的全桥式TMR磁敏传感芯片,其室温灵敏度已到达10 mV/V/Oe [1 nT/√Hz @ 1Hz]~400 mV/V/Oe [0.5 nT/√Hz @ 1Hz],处于国际同领域先进水平。 (2)新型磁敏传感材料的制备。分别优化制备出非晶Al-O、准单晶MgO和有机分子作为势垒层和CoFeB、[Pt/Co]N多层膜等作为铁磁电极(FM)的磁性隧道结及其磁敏感单元材料;同时通过理论计算研究提出Mg插层可以增强磁性隧道结的隧穿磁电阻比值,有利于提高磁敏单元对磁场响应的灵敏度;通过采用铁电氧化物的自发极化与缺陷的内在耦合机制,显著提高了磁性金属/氧化物异质结构的界面热稳定性;为研制高性能磁敏单元奠定了材料和物理基础。 (3)自组装准一维磁敏传感材料设计与研制。系统研究了Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、CoPt、CoFeB等准一维单质或合金磁性纳米线及纳米管材料,详细探讨了其形状各向异性、磁偶极相互作用和尺寸效应等对磁电功能特性的影响,为发展[例如:具有Co/Cu/Co层状周期结构的巨磁电阻、FM/半导体势垒/FM层状周期结构或同轴电缆型的TMR纳米线或纳米管等]准一维磁敏传感器件,提供了一类自组装材料和应用基础。 10篇代表性磁电阻相关研究论文被国际同行SCI他引和积极评价173次。与合作者研制出4种磁电阻磁敏传感器原型器件;已获相关中国发明专利授权10项及美国专利授权1项。下游合作企业或应用单位,选用项目组无偿提供的全桥式高质量TMR磁敏传感器中试芯片,陆续开发出电流传感器及电流监控演示样机,并在首钢集团、莱芜钢铁集团和江西贵溪发电公司等工业局域电网中试用,性能达标且使用稳定;同时也正在开发空间小卫星磁场探测和姿态调整系统及家用电器中磁传感的特定应用系统等,有切实可行的推广价值及市场需求。
[成果] 1700470070 北京
TM242 应用技术 石墨及其他非金属矿物制品制造 公布年份:2017
成果简介:研究目的:锂离子电池已广泛应用于消费类电子产品、电动汽车等领域。自1991年商业化以来,提升电池能量密度一直是行业努力的方向,而开发新型高容量电极材料是关键。锂离子电池主要采用石墨作为负极材料,其理论比容量为372mAh/g,高端石墨产品比容量已达360mAh/g,难以进一步提升。硅基负极材料室温理论比容量为3589mAh/g,远高于石墨材料。此外,硅基材料还具有储量丰富、成本低廉、环境友好等优势,被行业公认为下一代锂离子电池负极材料的首选。该项目致力于硅基负极材料的研发及产业化推广。 主要技术创新点:团队于1997年在国际上首次将纳米硅材料应用于锂离子电池,申请了首个发明专利且获授权,共有6个专利已授权;于1999年在国际上发表了首篇纳米硅负极材料应用于锂离子电池的科研论文。之后,一直致力于硅基负极材料的产业化推进。主要技术创新点如下:1)解决了纳米硅制备及与碳均匀复合的问题,纯纳米硅材料嵌锂过程具有超过300%的体积形变,难以直接应用。团队通过自主设计用于制备纳米硅的设备,获得了颗粒尺寸小、粒径分布范围窄、表面氧化程度小的纳米硅。同时,通过引入融合、气相包覆等工艺优化复合结构与包覆层,成功获得了成本低、首效高、循环性能良好的硅基负极材料;2)解决了氧化亚硅材料首周效率低问题:氧化亚硅材料循环性能较好,但首周效率较低。团队通过自主研发设备,从原材料制备入手调控氧化亚硅的原子结构,抑制其不可逆嵌锂过程。同时通过精细化表面包覆、严格控制生产工艺,最终成功的制备了高首效,循环稳定性优异的硅基复合材料;3)解决了硅基负极材料工程化制备过程中的技术难题:采用自主研发设计的中试生产线,突破了材料批量制备的技术难题,成功实现了硅基负极材料的工程化制备。已掌握500公斤/批次稳定制备技术。 产生成果的价值:锂离子电池市场庞大,采用高容量的硅基负极材料锂离子电池质量能量密度可提升8%以上,体积能量密度提升10%以上,同时每kWh电池的成本下降至少3%。因此,硅基材料具有非常广阔的市场前景。据高工产研锂电研究所统计,2016年中国负极材料产量为12.25万吨,产值66.39亿元,其中石墨负极占90%。据中国产业网预测,到2020年,全球锂离子电池总量将达到200GWh,其中电动汽车用动力电池100GWh,3C类产品50GWh,其他应用50GWh。如10%的动力电池、20%的3C产品采用硅基负极材料,至少将需要2.4万吨硅基负极材料,产值将达21亿元。
[成果] 1700470335 北京
TN389 应用技术 电子器件制造 公布年份:2017
成果简介:实现纳米结构单元/材料微区在原子尺度的结构分析与原位性质测量,建立性质与结构的一一对应关系,是纳米科学领域的重要研究方向,对揭示低维结构的本征性质以及开发新型纳米器件具有重要的意义。中科院物理所白雪冬研究团队自2005年以来,通过发展原位透射电子显微学实验方法,在原子尺度原位观测表征纳米结构及其性质。已授权10项发明专利,10篇代表性论文被Nature Materials, Chem. Soc. Rev.、Nature Reviews等著名学术期刊他引540次,撰写英文专著章节一篇。研究结果被Phys org, Wiley中国等知名科学媒体作为亮点工作报道。近几年连续在美国秋季材料会议、美国真空大会、国际电子显微学会议等会议上做邀请报告。项目负责人白雪冬2007年获得杰青、2014年入选中青年科技创新领军人才、2015年获得中国物理学会胡刚复奖、2016年入选万人计划领军人才。 主要科学发现及其价值概况如下: 原位实时成像固态离子输运与表界面反应过程,获得了几个固体电化学体系的结构相变和离子输运动力学特性,在原子尺度揭示了相关的能量存储、催化、忆阻等器件工作的微观过程和物理机制。 (1)在原子尺度原位观察到二维层状材料二硫化钼中由于锂离子嵌入而导致的相转变,揭示了嵌锂诱导结构相变的原子机制。两次相变过程与实际电池器件的电化学特性曲线明确对应,对过渡金属硫化物二维材料的电化学应用具有指导意义。 (2)在原子尺度直接观测到二氧化铈薄膜中氧空位的形成和传输动力学过程,发现电场驱动下二氧化铈发生结构转变即电还原现象,提出了一种电场辅助降低二氧化铈催化剂工作温度的方法,对其催化剂等应用具有重要意义。 (3)原位实时观测介质中银离子传输和银纳米团簇电化学传质过程,揭示了阳离子型忆阻器的一种微观工作过程和物理机制,为该类器件的可控制备提供了科学基础。 测量单根碳纳米管电输运、场电子发射和表面功函数,并原位测定纳米管的手性指数(即原子结构),定量表征碳纳米管物理性质和手性指数的对应关系,揭示了碳纳米管优异物理性质的微观机理。实验上首次实现了碳纳米管电输运性质和手性指数对应关系的定量测量,深入认识了原子结构和电极界面接触状况对碳纳米管电输运特性的影响,对其电子学器件应用具有重要意义。 实现了单根半导体纳米线的操纵和光、电、力性质测量,原位获得半导体纳米线光电性质与结构和外场的关系,揭示了纳米线物性显著的外场调控特征,为其电子学器件应用提供了科学依据。
[成果] 1700650357 安徽
O571.44 基础研究 自然科学研究与试验发展 公布年份:2017
成果简介:国际热核聚变实验堆(ITER)计划的目标是对和平利用核聚变能的科学和技术可能性的一个展示。中国参加ITER计划,需要开展与ITER计划目标相关的基础研究,为ITER计划做出一定的贡献,同时为建造中国的聚变堆积累知识和经验。ITER计划目标的实现面临一些关键性的物理问题,如:磁流体不稳定性、运行极限和破裂(包括撕裂模(包含新经典撕裂模)、电阻壁模、逃逸电子物理等);快粒子物理等。 围绕ITER计划面临的关键性物理问题,近年来对磁流体不稳定性、运行极限和破裂(主要是撕裂模(包括新经典撕裂模)、电阻壁模、逃逸电子)、快粒子物理、磁流体不稳定性与快粒子的相互作用等方面进行了一定的研究,并取得了一定的成果,主要体现在: 1.撕裂模不稳定性是磁约束等离子体中最危险的磁流体不稳定性之一。大部分的等离子体破裂都与其相关。因此,必须加以控制。研究了快离子与撕裂模不稳定性的相互作用,提出了快离子抑制撕裂模不稳定性的物理机制,这对进一步探索ITER以及未来的托卡马克聚变反应堆中快粒子对撕裂模不稳定性(包括新经典撕裂模)的影响和控制方法有重要的意义。结果发表在Phys. Rev. Lett和其它国际等离子体专业主流杂志上。其中PRL审稿人认为“It deals with the important issue of energetic particles on tearing modes and does represent an important step in our knowledge”。结果被Yueqiang Liu(APS Fellow)等人证实,也被最近的ITPA-EP专题组负责人关于ITER物理的特别报导中的一篇综述性文章引用,也是该文章中提及快粒子对撕裂模的影响引用的4篇文章之一。 2016年ITPA-EP专题组决定将快离子对新经典撕裂模的影响作为专题的一个新方向,并由本人作为该方向的协调人。这是该专题组首次由于中国人的工作而设立一个新方向,也是首次让中国人负责协调一个方向。此外,申请人将在2017年的首届亚太等离子体物理大会(AAPPS-DPP)上做邀请报告。 2.现在认为等离子体破裂不可避免。等离子体破裂时产生的大量的逃逸电子会对托卡马克第一壁材料造成很大损伤,这对于聚变来说是不可接受的,因此逃逸电子物理的研究就非常重要。数值模拟研究了电阻内扭曲模对逃逸电流位型的影响,提出了逃逸电子与磁流体不稳定性相互作用的物理模型,并预测了破裂阶段逃逸电流平台区逃逸电流位型。该结果在2015年的Nuclear Fusion上以Letter的形式发表。该文章被评为2015年Nuclear Fusion的亮点文章之一。审稿人认为“…address an important question for disrupting tokamak discharges. …includes potentially significant findings”。上述结果被用来解释JET装置在研究低密度极限起因时观测到的一个“出乎意料”的结果。 3.电阻壁模也是磁约束等离子体中最危险的磁流体不稳定性之一,它会限制托卡马克、反场箍缩装置等离子体的压强,引起等离子体破裂,使得无法长时间维持高性能稳态等离子体的运行,因而需要加以抑制。已有理论、实验认为,在反场箍缩装置中,电阻壁模不稳定性的控制主要依靠主动反馈(如外场线圈控制)的方法。研究了快粒子对电阻壁模不稳定性的影响,提出了一种新的控制电阻壁模的方法,即利用通行快离子控制反场箍缩中电阻壁模不稳定性。这是有别于传统上认为反场箍缩装置中只能通过外场线圈来控制电阻壁模,提供了一种新的控制电阻壁模的手段。该结果在2014年的Nuclear Fusion上以Letter的形式发表。审稿人认为“This is an interesting analytic work on the kinetic stabilisation... This resonance physics has largely been overlooked in past studies.”。该工作应邀在威斯康辛大学讲授seminar课程。同期讲授Seminar课程的有著名科学家Bob Kirkwood,Paul Cassak等。
[成果] 1800120168 北京
TN304.2 应用技术 专用化学产品制造 公布年份:2017
成果简介:随着晶体管尺寸的持续缩小,不断增加的晶体管密度与工作频率造成集成电路散热量急剧增大,互连寄生效应成为影响芯片功耗与速度的关键因素,应变硅沟道日益逼近极限,在硅基平台上引入更高迁移率的非硅沟道材料来提升CMOS的性能已成为10纳米节点以下高性能逻辑技术的重要发展方向。该课题针对最具应用前景的InP基CMOS技术,围绕InP基半导体材料的生长动力学与迁移率控制和高K介质材料的集成生长与界面控制两个急需解决的核心科学问题进行探索性研究:通过研究化合物半导体材料组分、应力应变、界面散射、能带结构等对载流子输运规律的影响,提出具有高电子迁移率、高空穴迁移率特征的n型与p型MOS器件沟道材料的解决方案;通过研究InP基含铟化合物半导体与含锑的化合物半导体的载流子输运规律,并采用应变工程提高载流子的迁移率,在InP衬底上同时实现高迁移率n型与p型CMOS器件材料;通过研究化合物半导体表面态及钝化机理,探索热力学稳定的高k栅介质材料并解决其等效氧化层厚度表征问题,解决金属栅功函数的调制、沟道迁移率的下降、高k栅介质的可靠性等相关问题;通过研究低电阻源漏结构、电场分布、短沟道效应与电极寄生效应对频率性能的影响,提出限制器件频率特性的关键因数,建立有效的集成技术途径与解决方案;培养和建立一支学术水平高、创新能力强的科研队伍,获得一系列在国际上有影响的原创性成果,形成一套从材料生长到器件制备、具有完全自主知识产权的化合物CMOS器件的核心技术。
[成果] 1800120445 北京
TB383 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2017
成果简介:该项目发展了自上而下的石墨烯纳米结构的可控加工和剪裁技术以及自下而上的石墨烯和石墨烯纳米带在六方氮化硼(h-BN)的外延生长技术,研究了原子尺度平整的特殊边缘结构和h-BN基底调制的石墨烯超晶格结构,探讨了在其调控下的声子振动、局域边缘态、载流子边缘散射以及表面超晶格对石墨烯能带的调控等特性。该项目独创的边缘态结构调控和石墨烯二维超晶格结构调控的新方法和新技术,对石墨烯纳米结构的物性调控具有特殊意义,对于理解尺寸限制和边缘态以及超晶格结构调控下的石墨烯纳米结构电子、自旋输运特性提供了基础。该项目的突破性进展,为石墨烯量子器件及包括存储、发光、传感、显示等石墨烯纳米电子学器件的的应用研究具有重要价值,为石墨烯材料在未来信息电子学和光电子学等领域的发展奠定了相应的物理和技术基础,在国家纳米研究总体项目的部署做出了实质性的贡献,在石墨烯纳米结构器件研究领域建立具有国际影响的研究基地。主要成果:(1)石墨烯的异质结物性调控。(2)石墨烯纳米结构的边缘调控和可控加工。
[成果] 1800040015 广西
TB383 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2017
成果简介:课题来源与背景:近年来纳米光镊的研究已经成为微纳光子学领域的研究热点,每一次新型纳米光镊结构的提出和更小纳米粒子的捕获成功都是对光镊捕获极限的超越。但是国际上对表面等离子体光镊的研究大多处于理论研究阶段,国内关于表面等离子体光镊的研究也刚刚开展,并且由于观察和定位上的困难,很少有成功捕获直径在100nm以下的纳米粒子的实验研究报导。该课题在前期研究基础上,提出了金属双纳米棒结构表面等离子体光镊的思想,对其捕获纳米粒子的物理原理进行规律性研究,分析双纳米棒的平行式、非平行式、相交式、平放在玻璃基底和垂直于玻璃基底等等多种组合形式的表面等离子体分布,力图揭示表面等离子体操控纳米粒子的关键物理参数,并在实验中制备经过理论优化设计的双纳米棒结构,测量表面等离子体光镊的光阱力,为纳米光镊捕获技术开辟新的技术途径和解决方案。 研究目的与意义:金属纳米结构在入射光作用下激发的表面等离子体具有高度局域化和场增强特性,其纳米级光阱空间可构成表面等离子体光镊来捕获纳米粒子。针对表面等离子体光镊存在的理论机制不清晰和样品制备及测量困难等若干问题,该项目以金属双纳米棒结构作为基本形式,对上述问题进行深入系统的理论和实验研究。探讨金属双纳米棒结构的几何、物理参数和入射光、周围介质等外部条件对纳米粒子捕获效率的影响;阐明纳米光镊光场与金属纳米粒子激发的表面等离子体之间耦合作用的物理机制及其对捕获效率的影响;揭示纳米粒子布朗运动、表面等离子体的热效应与光阱力之间的相互作用关系;综合考虑上述因素,通过优化设计获得合适的纳米光镊结构参数;根据理论优化结果利用微纳加工技术制备金属双纳米棒结构,进行捕获纳米粒子的实验研究。该项目不仅为纳米粒子捕获提供一条新的技术途径,也可促进微纳光子学、计算科学和材料学的交叉融合,具有重要的学术意义和应用价值。 主要论点与论据: 金属纳米结构理论计算部分:双纳米波结构光镊捕获电介质粒子光阱力计算首先对描述高数值孔径聚焦光场的矢量Debye理论进行深入研究,计算了聚焦点横向光场分布。在FDTD solutions软件中,对双金纳米棒进行建模。用聚焦光场的XYZ分量作为入射光场带入FDTD仿真程序中,对双金纳米棒结构在聚焦光束入射下消光光谱进行了分析。用Maxwell张量法分别计算对直径为30nm、50nm和80nm的电介质纳米颗粒的光阱力,证明了可以利用双金属棒结构构建纳米光镊。光镊光场与金属纳米粒子激发的表面等离子体耦合研究双金纳米棒结构参数以及捕获的金纳米球直径和上述相同,发现由于光镊光场与金属纳米球的局域表面等离子体耦合产生了局域强光场,使相同直径的金纳米颗粒的光阱力比硅纳米颗粒增大了1倍。当金纳米球远离双纳米棒结构时,光阱力逐渐下降,但是由于金纳米颗粒和金纳米棒之间表面等离子体体耦合的场增强作用,光镊捕获力仍然比同距离的硅纳米球大1个数量级。纳米粒子布朗运动及表面等离子体热效应对光镊的影响在实验中观察到20nm-100nm的金属纳米粒子在光镊中可以被捕获到。在常温下,金纳米粒子的布朗运动影响远小于表面等离子体光场的光阱力,不会对捕获产生大的影响,所以在常温下捕获纳米粒子时几乎不需要考虑热效应影响。双纳米棒结构优化设计经过对纳米棒长度、直径和间距的计算,证明纳米棒的直径和间距对表面等离子体光场有直接和主要的影响,而长度变化则影响不大。 纳米光镊的实验研究部分:金纳米棒复合纳米结构光学特性的研究提出并验证了双SPR波长匹配的荧光增强物理机制,将金纳米棒的横向和纵向SPR波长分别与荧光分子的激发和辐射波长匹配,使荧光分子的激发和辐射效率同时达到最大,即获得最强的“激发-辐射”效率,最大增强因子达到20倍之多。光镊对金纳米棒颗粒光阱力特性的研究用双光镊系统捕获了金纳米棒颗粒,同时观察了金纳米棒在光镊中的一些性质。当旋转暗场照明光源的偏振方向时,发现两光阱中的金纳米棒的散射光强呈现此消彼长的变化,由此推测两个光阱中的金纳米棒的长轴是相互垂直的。当白光的偏振方向和光阱的偏振方向平行时,被捕获金棒的散射光强最强,由此推测金纳米棒在光阱中的长轴指向与光阱的偏振方向一致。无衍射光束的表面等离激元激发及其在微观粒子操控中的应用理论分析了艾利光束,贝塞尔光束等特殊的加速无衍射光束在微观粒子操控中的应用。课题组通过角谱变换的方法,得到了在Kretschmann棱镜结构中的艾利光束的表面等离激元波,并且系统分析了其产生的光镊力。 创见与创新:将金属双纳米棒结构引入高数值孔径聚焦倏逝场中构建可捕获纳米级电介质粒子和金属粒子的表面等离子体光镊;建立表面等离子体的热效应产生的温度场对光阱力影响的理论模型;完成金属双纳米棒结构的微加工制备并实现纳米光镊结构对纳米粒子的稳定捕获。 成果发表SCI收录论文6篇,获发明专利授权2项。培养博士1名,研究生3名。
[成果] 1800120399 北京
TB383 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2017
成果简介:近几年,散射式扫描近场光学显微术由于其高光学空间分辨、可见光到太赫兹宽波段适用等优势在微纳材料、微纳电光器件物性研究领域展现出独特的优势和特点。在以石墨烯为代表的二维表面电子密度振荡形成的表面等离激元传输性质的研究和以氮化硼为代表的声子极化激元传输性质的研究方面发挥了重要作用。对低维纳米体系等离激元或声子极化激元的传输特性进行表征分析可以获得与其能带、载流子浓度与分布、声子能量、电声耦合等相关信息和图像,这些信息来源于针尖的光学散射,因而具有很高的空间分辨率,对于特定体系可以在大气环境无损的实现2~3纳米的空间光电特性成像。主要研究内容:①理解低维半导体微结构对载流子影响的物理机制。项目组最近的工作初步发现,低维半导体材料因其受限结构对自身声子产生较大作用,导致其能带结构与费米面发生变化,在低维纳米结构上产生载流子集体振荡形成表面等离激元波。其具有类似石墨烯的强电磁场转化能力,且远红外波段传输品质因子比石墨烯高5倍。使用散射型扫描近场光学显微镜,施加电学调控在中、远红外波段成像及动态光谱采集,通过对等离激元光学模式的鉴别及弛豫时间的获取研究关于载流子特性的物理性质。同时进一步发展近场非线性光学成像技术,利用非线性光学现象对表面结构对称性破缺的敏感性,实现高空间分辨的低维材料微观结构与光学响应的研究。②实现实空间Bi2Se3二维拓扑绝缘体Dirac等离激元光学近场成像,揭示其色散、衰减及其中的量子尺度效应。项目组利用化学气相沉积或液相合成方法可以制备形状、尺寸和厚度可控的拓扑绝缘体二维原子晶体,使用红外光学近场成像研究Bi2Se3纳米结构表面等离激元模式随形状、尺寸、厚度、激发波长以及外加偏压的变化。进一步构建拓扑绝缘体和氮化硼人工超晶格结构,研究Dirac等离激元与声子极化子之间的耦合。③获得微纳结构对材料内部能量和激发的转移过程及其他超快弛豫过程影响的全面信息。基于现有的扫描近场光学系统,结合非线性光学系统及超快光学系统,搭建空间<10纳米,时间<100飞秒的高时空分辨率系统,研究材料的激发态和高分辨率光谱以及材料中的微纳结构对内部能量和激发的转移过程及其他超快弛豫过程。并通过实验制备共振结构和纳米聚焦结构,实现巨大的场增强以得到足够高的信噪比,获得时空高分辨成像。其中,关键是要解决两个重要的技术问题是:高时空分辨近场光学成像与光谱采集系统的搭建、光学扫探针上制备共振和聚焦结构提高信噪比。预期目标及其效益:拟发展基于扫描近场光学显微术的飞秒超快技术,实现高时空分辨,从而可对外场作用下纳米材料内发生的各类相互作用过程同步进行空间分辨与瞬态特性测量。与此同时,将光学研究平台上引入非线性技术,实现时间分辨近场非线性光学成像,可对具有对称性破缺的纳米体系表/界面结构的物理性质实时表征和测量,进一步扩大近场系统研究范围。选取低维半导体材料与低维拓扑绝缘体为研究对象并研究其等离激元相关特性,一方面是弥补传统材料如金属等离激元损耗大且不可调控的缺点,另一方面也是为等离激元材料供新的选择。所要实现的高时空分辨技术恰好为纳米尺度各超快过程对应的物理性能与机理研究奠定了不可或缺的技术基础,且能达到基本物性的定量化测量。以上技术在国内尚属空白,若成功搭建,相信定会掀起一股新潮流,并揭示出纳米材料更多现有技术条件无法观测的新奇物性,对促进我国在纳米科技领域取得重大突破以及保持国际竞争中的优势地位具有不可忽视的积极作用。
[成果] 1700320018 北京
O493.4 基础研究 自然科学研究与试验发展 公布年份:2016
成果简介:该项目属于凝聚态物理学科领域,磁电演生(emergent)材料由于自旋与电荷和轨道等多体相互作用,极其丰富的量子功能和重大应用前景;设计结构组分简单的新材料、揭示和拓展调控量子序的新路径,是推动磁电演生材料研究跨越的重大前沿和科学难题。作为决定物质状态的基本参量,高压可以形成常规条件难以产生的全新结构和状态,对量子功能形成独特调控。该项目以发现磁电演生新材料及量子序的高压调控为目标,围绕铁磁、反铁磁及强自旋轨道耦合3类典型磁电相互作用,系统深入的开展了新体系的原创研究。主要科学发现包括:发现并命名了国际公认的铁基超导主要体系之一的“111”体系。“111”体系是对铁基超导的重大拓展,铁基超导发现者Hosono教授将“111”列为3个主要铁砷超导体系之一。“111”体系是由中国科学家于2008年6月独立发现的第1个铁基超导体系,和此前掀起铁基超导热的“1111”及“122”体系相比,“111”体系具有几个它们不具备的突出特点:无需化学掺杂即可超导,排除了无序等非本征因素的复杂干扰;结构简单,易于提炼形成超导的基本要素;解离面无极性,保证了表面和体态磁电结构严格一致;“111”体系成为研究基于反铁磁涨落的铁基超导本征物性的理想结构,主要成员LiFeAs呈现无费米面嵌套的重要特征:表明在此前体系里普遍存的嵌套并非形成铁基超导的必要条件,扭转了当时基于嵌套对铁基超导的主流认识,改写了铁基超导机理研究进程。发现“111”体系的文章单篇他引595次,有37个国家和地区302个单位开展了针对“111”体系的广泛深入研究,“111”体系的发现引发了铁基超导新一波研究热潮。首次研制了系列铁磁演生材料并揭示了新奇量子序。发现了基于LiZnAs的自旋和电荷掺杂机制分离的稀磁半导体,突破了长期制约稀磁半导体的自旋和电荷掺杂捆绑瓶颈,开拓了新一类稀磁半导体研究;LiZnAs是对LiFeAs的拓展,相比经典稀磁半导体(Ga,Mn)As,新体系的显著特点包括能够独立调控自旋和电荷注入,具有晶格匹配的超导和磁有序对应体系,为研制面向应用的稀磁半导体pn结以及与超导和反铁磁的多组合异质结、揭示新的物理效应提供了重要结构载体;发现了BaRuO<,3>新型巡游磁体及体系从稀磁向铁磁序的渡越现象,揭示了化学键强度对这类含非磁性元素奇异铁磁序的关键调控,推翻了此前主流理论预测,修正了国际上对Ru基巡游磁性发现半个世纪以来的认识。研究工作入选PNAS、Nature China亮点介绍,并荣获ICDD突出贡献奖,揭示了压力诱导的强自旋轨道耦合量子序演化新现象,在国际上首次发现了压力诱发的拓扑化合物宏观量子凝聚,实现了对拓扑量子序的纯净物理调控,研究工作入选2011年度中国百篇最具影响论文,是2012年中科院杰出科技成就集体奖的内容之一。项目发表20篇论文,含Nat.Commun. 1篇、PNAS2篇、JACS2篇,8篇代表性论文他引866次,授权发明专利3项;第一完成人以项目工作为主当选美国物理学会会士(APS Fellow),荣获中国物理学会叶企孙物理奖等奖项,并在包括美国物理学会年会、国际高压科学和技术大会、国际超导材料和机理大会等重要国际会议做邀请报告39个。
[成果] 1800120482 北京
TB383 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2017
成果简介:2012-2017年,在国家973计划项目的大力支持下,北京航空航天大学、北京科技大学、中国科学院物理研究所、清华大学、北京大学和中国科学院化学研究所的相关团队针对“基于新型三维纳米结构的储能锂二次电池重要基础问题研究”的课题进行了深入研究,在高性能三维纳米结构电极方面取得了突破。此外,为了更好地探究材料的反应及作用机理,提供可靠的理论依据,课题组探索出一种新的测试方法——原位表征技术,对材料充放电过程实时表征。该文将从新型三维纳米结构电极、新型原位表征技术两方面简要介绍项目的新成果。1.新型三维纳米结构电极材料:三维纳米结构电极是近年来锂离子电池领域的研究热点,相比于二维电极的平面结构,其具有很多优势。比如,三维结构具有大的比表面积,增大了电极与电解液之间的接触面积,使电荷更容易在界面转移,从而提高了电池的充/放电速率;并且,对于在循环过程中体积变化较大的活性材料来说,三维结构中存在的空隙可以为体积变化提供缓冲空间,提高材料的稳定性和循环性能;此外,三维结构可以缩短锂离子在电极内部的扩散距离,减小电子、离子的传输路径。由于三维电极的以上优点,近些年一直致力于对其的研究,通过不懈地努力,设计并制备出了性能优异的三维纳米结构电极,按照电极的微观形貌,可以分为三维多孔结构、阵列结构和网络结构电极,如图1所示。2.新型原位表征在锂离子电池研究中的应用:对于新型锂离子电池电极材料的研究,表征相当重要,可以帮助课题组理解材料在充放电时的电化学过程及微观结构变化。传统的表征方法无法实时获取材料的结构等信息,对于纳米尺度的电极材料的研究具有一定的局限性,为此,课题组利用新的方法——原位表征,对电极材料进行更深入地研究。原位表征,包括原位X射线衍射、原位射线吸收谱、原位扫描电子显微镜等,应用于锂离子电池测试中,能够实时监测电极材料在不同循环条件下的物质、结构转化,并且能全面系统地理解锂离子电池平衡态与非平衡态过程中材料的变化特点,为反应机理的分析提供依据。以复合氧化物铁酸锰(MnFe2O4)/石墨烯复合电极作为负极,利用原位透射电镜探究了其在充放电过程中的反应机理。图3为不同循环次数下,MnFe2O4与石墨烯复合材料的形貌和结构变化。从图中可以看出,在充放电过程中电极材料的形貌发生变化,尤其是在首次放电后,颗粒尺寸明显增大,MnFe2O4发生颗粒的粉化,但由于石墨烯的固定作用,粉化的颗粒仍被石墨烯吸附,且在之后的循环过程中,材料仍有足够的空间来缓冲体积变化,因此,表观上显示出较好的循环性能。此外,通过原位表征还发现,首次循环后结构发生变化且并没有恢复晶体结构,说明首次的物质转化不可逆。而从第二圈开始,电极材料不再发生相变,说明嵌锂和脱锂反应过程可逆,这和电化学测试的结果一致。以上结果表明了原位表征在锂离子电池机理研究中具有直观、准确、全面等优点,为锂离子电池的研究提供了新的思路。
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