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2016年优秀实验室选编—先进功能材料与结构分析北京市重点实验室
来源:    日期:2017-09-26

先进功能材料与结构分析北京市重点实验室依托于中国科学院物理研究所建设,致力于新型半导体材料、能源材料、纳米材料、超导体材料的探索、制备及其性能和结构的表征及产业化工作。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,曾取得重要研究成果。实验室在深入开展电子显微学理论和实验方法研究的基础上,注重其在凝聚态物理学和材料科学中的应用,在碳化硅晶体生长与加工、铁基超导体、碳纳米管及石墨烯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要成果。

实验室的研究方向主要包括:1.新功能材料探索和结构分析,新功能材料探索与晶体生长,功能氧化物原子结构与电子结构;2.X射线衍射分析及纳米材料应用,纳米材料与介观物理;3.电子显微学方法与应用,现代分析电子显微学及其在材料科学中的应用,功能材料的电子显微学及电子晶体学图像处理。

实验室致力于先进功能材料的合成、生长及其性能和结构的表征及相关凝聚态物理的研究,在半导体、新能源、纳米材料和高温超导材料的研究中取得过很多重要研究成果,获得近百项国家发明专利,在Science, Nature, Phys. Rev. Lett., JACS, Adv. Mater.Nano Lett.等国内外一流学术期刊上发表了几百篇论文。具体成果包括:

1.大尺寸宽禁带半导体单晶衬底的制备和产业化

陈小龙团队与北京天科合达蓝光半导体有限公司合作,201411月份,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。


图1.6英寸n4H-SiC晶片

2015年,开始在大兴区新建成晶体生长产业基地;
   201611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。


图2.晶体生长生产线

2.功能氧化物原子结构与电子结构

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Pd1/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.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响应和TaSe2中电荷密度波相变过程。


图3.a)国内首台时间分辨电子显微镜

4.纳米材料与介观物理

研究了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,调控和优化碳纳米管/导电聚合物复合界面强度及其与凝胶电解质复合结构设计以及复杂界面性能的影响因素,形成一体化的全固态复合结构。

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(Nano scale,7,12492,2015)。

3)设计一种PANI一种ale,,组装出双向可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)。

5.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。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。

实验室按照北京市重点实验室管理的有关规定,积极贯彻“开放、流动、联合、竞争”的运行管理方针,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。实验室实行主任负责制和学术委员会指导制。鼓励人员流动,开放实验仪器设备,加强产学研与国际合作,提高实验室影响力。现任学术委员会主任解思深院士,实验室主任陈小龙研究员,副主任谷林研究员。
    实验室现有科研人员25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13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,1人入选国家“万人计划”,1人获中组部“青年千人”,1人获北京市领军人才),副研究员5人(其中1人入选中科院“百人计划”)。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。 

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