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基础前沿研究领域

     创制了一个新型复合量子功能材料体系:在国际上率先发展了“晶胞原子层间嵌入合成方法”,通过此方法在层状氧化物中进行元素和结构调控,发明了一个具有完全自主知识产权的新的多参量材料体系。共申请了近50个国家发明专利,其中18项已经授权。该材料体系集成了铁电、铁磁、光催化、超声、微波等性能,大大拓展该材料体系的潜在应用领域。其中代表性成果有:

i.发明室温磁电耦合单相SrBi5Fe0.5Co0.5Ti4O18新材料。在室温以上100摄氏度时,依然有350 uV•cm-1•Oe-1的磁电耦合系数,目前尚没有任何单相材料可与之相比拟。利用这个新材料,研制出了高温低磁场条件下工作的磁电耦合器件,这一工作被国际同行评论为该领域近年来的一个非常显著的进展;同时,课题组还将该材料与二维材料复合,利用铁电性促进光生载流子的分离,成功制备了高性能光电探测器。

   

同时,通过改变掺杂浓度诱导产生新的调制相结构(类准同型转变),明显提升了这区域内的室温铁电和铁磁性能,演示了一种通过调制相结构方法寻找优良单相多铁性材料的有效途径。

利用长周期层状量子功能材料中晶胞内磁性离子分布不均匀,在单相材料Bi10Fe6Ti3O30和Bi9Fe5Ti3O27纤维中形成了反铁磁团簇和团簇玻璃态,获得了优异的磁性交换偏置现象,将交换偏置温度从通常的几十K提高到接近室温(单相记录),在寻找单相交换偏置材料领域里取得突破。
    
ii.采用激光分子束外延技术,通过纯化晶体点阵结构,成功制备出准立方晶体结构的新型高对称性铁磁绝缘体材料,该材料的铁磁转变温度高于液氮温度,创目前记录,而之前所报道的高对称性铁磁绝缘体材料的铁磁转变温度仅为16K。由于其高对称性,它易于与其它材料形成异质结,这将为研制实用的超快速度、无能量损耗的量子自旋反常霍尔效应器件奠定基础。
  

iii.由于热力学不稳定性和长轴方向的大晶胞常数,层状氧化物外延单晶薄膜的生长一直面临挑战。课题组分析并理论模拟了电荷屏蔽效应对长周期层状氧化物的异质外延生长的影响机制,根据分析结果,在薄膜生长中引入导电缓冲层,首次生长出高质量的Bi6FeCoTi3O18单晶薄膜,其铁磁性能显著提升,且具有块体中罕见的强垂直方向压电效应。

iv.所发展的复合量子功能材料具有带隙可调、荧光、磁性、超声催化、光催化等性能,利用这一特性可能结合磁共振成像高空间分辨率和荧光成像高灵敏度的优点,实现生物医学多模式成像,增强对病变的识别和诊断能力。同时该材料体系具有的光降解和超声响应可应用于杀死病毒和病变细胞,结合其多模式成像的功能,有可能实现图像引导的介入治疗,以及诊断和治疗一体化。此外,该材料应用于污染物光降解、光催化制氢、自清洁、防紫外线等领域时,磁性功能将使得催化剂可有效回收,这对能源和环境领域的应用非常重要。
 
v.获得2006年度国家自然科学一等奖(《介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用》)。具体贡献包括:1.)生长出大块周期性、周期渐变的铌酸锂、钽酸锂光学超晶格单晶; 2.)基于准位相匹配效应首次实现紧凑型非线性光学蓝光激光器; 3.)基于新型光学双稳机制研究了多束光双稳态;4.)生长出周期性渐变的声学超晶格,并研制成多种超声原型器件。
 

vi.发明了PMN-PT透明电光陶瓷(US Patent 6,890,874)。该材料是继PLZT之后最具实用性的一个透明电光陶瓷,在此基础上开发的基于透明电光陶瓷光通讯元器件成功实现了产业化。该材料的成功发明最终导致了创业企业与康宁集团的并购,也在国际上电光陶瓷领域产生了巨大的影响。


vii.在能源材料领域,提出了一系列提高能量转换效率和节能新思路,为降低成本,实现可再生能源的大规模应用指出了一些新的途径:1.)率先提出在硅基太阳电池中应用掩埋金属纳米光栅来大幅度增强太阳电池吸收的机制(Nano Lett. 2010, 10, 2012,已被引用近220次)。通过该设计,能使厚度为110纳米的非晶硅对太阳光的净吸收增加约30%,并且这种吸收增强与入射光的方向无关,该成果获得2012年国际ENI奖提名并进入最终评审。之后,又推进了这一工作,设计了基于铜铟镓硒薄膜的纳米线太阳能电池,其短路电流可增加高达250%,这对于提高太阳能电池的性价比具有重要意义(Optics Express, 2012, 20, 3733)。此外,还利用荧光频率转换增强技术来加强太阳能电池对长波波段的光吸收;2.)发明了新型温控智能玻璃,可以根据环境温度对红外光透过率进行自动调控,在夏天阻挡红外光进入室内,从而可以实现冬暖夏凉的效果,降低建筑的能耗。所设计的多种多层结构智能玻璃,红外光透射调控率达22%,可见光透过率超过60%,该技术可选的材料范围广,因此还能结合诸如氧化钛的自清洁和杀菌功能,进一步达到节能环保的效果。目前已经申请4项温控智能玻璃的发明专利,其中2项已授权。
 
viii.在新型光电材料及器件领域,主要强调新材料研究、原型器件研发、以及相应产品表征及市场化的一体化。1.)在提出反向Ridge 光波导概念和在借鉴并优化新型SCOW激光器结构的基础上,发展了大单模芯面积LiNbO3光波导;2.)首次利用光学双稳机制制造全光学超快光学开关;3.)领导了热电集团的大面积CID Imager以及元素分析系统产品的研发及市场化。

viii.在纳米光电材料及纳米光电学领域:1.)提出了在多层材料中实现负折射的新思路;2.)提出了利用纳米棒阵列作为高分辨光子探测器的新概念。同劳伦斯-伯克利国家实验室合作首次制造了ZnO纳米棒阵列UV光子探测器;3.)提出了制造Near-Edge Emission Scintillator纳米棒阵列作为高能射线探测器的新概念。成功得到了高达95%的光子收集效率和200nm的空间分辨率;4.)提出了新型可调表面Plasmonic共振机制,并首次应用于THz元器件;5.)倡导了应用组合技术进行新原型器件的研制。成功的利用组合技术制造了有序化纳米棒阵列、并制造了高空间分辨和高能量分辨探测器。