实验室研究方向:新型薄膜材料实验室设有三个研究方向:材料结构和性能的模拟与设计、新型薄膜材料的制备与应用、量子信息与现代光通信。三个研究方向在纳米尺度上形成了从理论设计到材料制备、性能调控、器件制造的综合研究平台:

研究方向一:材料结构和性能的模拟与设计

主要研究多面体团簇结构设计与性质调控,探究团簇的高稳定性和多形性的物理根源;研究低维体系中的物理现象,找寻新的物理规律,指导设计与开发新的功能薄膜材料和器件。近年来主要在以下几个方面开展研究:

1.纳米体系量子调控:利用第一性原理方法,研究碳、硼、硅及贵金属团簇稳定性、结构的动力学演化和磁性,研究二维材料生长机理,研究材料的氢、氧等分子的吸附性质,从物理角度分析表面和界面的化学催化机理。实现对纳米体系材料的优化设计和性质调控。

2.低维有机功能材料研究:采用半经典近似理论,研究有机半导体材料、纳米器件中的光电过程和磁性理论,将固体理论与有机化学、高分子材料、飞秒光电子学相结合,发展和建立有机物质的电子态理论、新型元激发、电子关联、载流子输运、有机发光等理论,为有机光电子学和纳米技术的应用提供理论依据。

3.低维体系新奇量子现象研究:利用格林函数理论,研究石墨烯及拓扑材料的物理性质,研究掺杂对材料物性的调控,研究拓扑物质态所蕴含的新奇量子现象及探测途径,为各种异质结器件的输运性质的实验研究提供理论指导。

发展目标

夯实在国内领先地位,并在纳米体系材料的优化设计和性质调控掺杂对材料物性的调控研究等方面达到国际先进水平。具体目标如下:通过不断研究积累,在团簇性质预测、二维材料性质模拟、材料储氢、表面催化,有机半导体材料及高分子材料的发光及发热,新奇物理现象预测及低维器件性质模拟等方面形成一系列有代表性研究工作,逐步形成在国内外有较大影响的凝聚态物理研究团队。

近三年的主要研究进展

1)国际上首次提出了20 个钪原子和60个碳原子组成的稳定的、中空的排球烯,研究结果受到同行关注,被MIT Technology Review、Physics Today、New Scientist等众多科技网站专题报道;“Volleyballene”作为一个新的英文单词被World Wide Words(910期, 2015)收录。2)研究了贵金属铂在二氧化铈的Σ3晶界上的偏聚行为,以及铂离子与氧空位在界面处的相互作用。3)提出了两种锂-硼纳米体系,研究了它们的结构稳定性及储氢特性。4)采用非绝热分子动力学方法,研究了电子关联效应对有机共轭聚合物中极化子运动、复合等物理性质的影响,揭示了电子关联效应的重要性。5)研究了HgTe/CdTe量子阱体系的热输运性质、马约拉纳费米子耦合量子点的热输运性质、三维拓扑绝缘体表面台阶态的安德烈夫反射、黑磷烯的杂质效应、超导-HgTe/CdTe量子阱-超导体系的准粒子相干现象、超导-HgTe/CdTe量子阱-超导体系的交流约瑟夫森效应、超导-石墨烯-超导的镜面及正常安德烈夫散射探测、高陈绝缘体的局域化问题。研究内容为深入理解拓扑绝缘体的物理性质和拓扑绝缘体约瑟夫森结及石墨烯约瑟夫森结的输运特性奠定理论基础,对寻找和表征马约拉纳费米子、实现信息存储和量子计算有重要的参考价值。上述研究结果发表在Nanoscale、Physical Review、ACS Applied Materials & Interfaces、Organic Electronics等国内外重要学术期刊上,共发表SCI收录论文70余篇,其中SCI二区学术论文29篇。

研究方向二:新型薄膜材料的制备与应用

主要研究多种重要功能薄膜材料不同制备方法,为实现不同功能所需基本物理机制,探讨包括磁性能、电输运、热输运及其耦合机理。近年来主要在以下几个方面开展研究:

1. 功能材料微结构及物理特性研究:探索典型磁性金属及磁性氧化物的磁有序的物理机制;提高n型氧化物热电材料SrTiO3以及R-P相SrO[SrTiO3]n (n = 1, 2, 3)的性能。

2. 阻变存储器(RRAM)材料研究:研究金属氧化物半导体薄膜和钙钛矿氧化物薄膜材料的阻变效应;探讨阻变过程对器件磁性的影响,探究阻变及磁变的物理机制;寻找性能优异的薄膜材料,探索提高阻变和磁变性能的方法和途径。

3. 复合防伪薄膜与多孔稀磁半导体薄膜研究:探讨有序多孔金属氧化物薄膜的生长机制;探究有序多孔金属氧化物薄膜的磁电耦合现象,并为其在多功能存储器的研制提供物理基础;研究新型有序多孔金属氧化物薄膜的结构色,使其在多方面实用化。

4. 过渡族金属化合物磁电耦合功能研究:研究过渡族金属氧化物中基于非共面的拓扑霍尔效应;探讨过渡族金属氮化物中基于二维六角密排面共性的不同相结构演化规律;研究Heusler过渡族金属间化合物中基于磁场诱发一级磁相变、动力学阻止和补偿亚铁磁性的自发交换偏置效应。

发展目标:

在功能薄膜材料的实验室制备、物理机制分析方面达到国内一流研究水平。其具体目标为:改善器件的阻变和磁变性能、掌握有序多孔金属氧化物薄膜的生长及典型磁性金属和磁性氧化物的磁有序的物理机制,为RRAM及磁性开关器件的研制提供科学依据。

近三年的主要研究进展:

1)研究了3d过渡金属Cr (Ti, Mn, Co, Ni, Cu)掺杂尖晶石铁氧体的磁矩实验值与离子分布的关系,提出了一个O2p巡游电子模型。2)使用离子注入技术实现了不同浓度的Nb离子掺杂,研究了动态退火温度对离子注入薄膜热电性能的影响及其物理机制。3)通过选择薄膜材料的掺杂改善了器件的阻变和磁变性能,为RRAM及磁性开关器件的研制提供科学依据。4)实现了电场对有序多孔金属氧化物薄膜的阻变与磁变的调控。5)实现了利用金属和PAA复合薄膜用于多重防伪的技术。6)构建了补偿亚铁磁结构、实现了磁相变人工干预的设计方案。上述研究结果发表在Journal of Materials Chemistry C、Applied Physics Letters、APL materials等国内外重要学术期刊上,共发表SCI收录论文60余篇,其中SCI二区以上学术论文23篇。

研究方向三:量子信息与现代光通信

主要研究低维薄膜材料在量子信息安全与光量子器件中的应用。利用生长的低维薄膜材料做饱和吸收体,研制激光器件与激光光源、光量子器件,研究量子安全通信及量子态光学制备。近年来主要在以下几个方面开展相关研究:

1. 激光器件与激光光源的制备:制作和表征碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体、金纳米材料等新型二维材料类光学可饱和吸收体;制作马赫曾德尔干涉滤波器、锥纤可调谐衰减器、特殊性质的长短周期光纤光栅等新型无源光学器件;将光纤激光器与制得的可饱和吸收体及新型光纤器件相结合,研究光纤激光器中非线性动力学特性,研制新型光纤激光器。

2.量子安全通信及量子态光学制备:提出了用弱非线性探测光子数纠缠态的方法,解析证明了多量子比特系统中纠缠熵分布的不等式和等级结构,研究了腔库系统中特殊类型量子资源的动力学演化特性。

发展目标:

保持量子安全通信及量子态光学制备的国内领先地位,保持新型光纤激光光源的研制国内先进水平地位,力争达到国内领先水平。具体目标如下:通过不断研究积累,在基于新型薄膜材料光纤激光光源研制、光纤无源器件研制、光纤非线性特性研究、多量子比特系统中纠缠量子光纤激光团簇性质预测、二维材料性质模拟、材料储氢、表面催化,有机半导体材料及高分子材料的发光及发热,新奇物理现象预测及低维器件性质模拟等方面形成一系列有代表性研究工作,逐步形成在国内外有较大影响的凝聚态物理研究团队。

近三年的主要研究进展:

1)制备、表征了单层率大于90%的单层石墨烯薄膜及3-7层的多层石墨烯薄膜,在此基础上,研制了基于锥纤倏逝场及三明治结构等两种不同类型石墨烯锁模器件;2) 结合所制锁模器件,研制了石墨烯锁模高能量宽带自相似光脉冲光纤激光光源、石墨烯锁模色散管理掺镱光纤激光光源、石墨烯锁模高阶谐波孤子光纤激光光源、石墨烯锁模耗散孤子光纤激光光源;3) 利用理论和实验研究方法,研制了波长可调谐耗散孤子激光光源、波长可调谐调Q脉冲光纤激光光源、波长间隔精确可控的多波长掺镱及掺铒光纤激光光源;4) 利用理论和实验研究方法,深入分析了多种脉冲动力学特性,研制了高阶谐波暗脉冲光纤激光器件及放大器件、爆发模式耗散孤子光纤激光器件及放大器件、耗散孤子方脉冲光纤激光器件等新型光纤激光光源器件;5)给出了用弱非线性探测光子数纠缠态的方法,解析地证明了Renyi纠缠熵在多体系统中的分布不等式,研究了四体腔库系统中的纠缠演化和动力学特性。进行了二维材料性质模拟、材料储氢、表面催化、新奇物理现象预测及低维器件性质模拟的研究。以上相关研究结果发表在Physical Review、Optics Letters、Optics Express等国内外重要学术期刊上,共发表SCI收录论文50余篇,其中SCI二区以上学术论文21篇。