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[成果] 1700470307 北京
TP2 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] 1700470335 北京
TN3 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] 1700470070 北京
TM2 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] 1800120445 北京
TB3 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] 1800120168 北京
TN3 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] 1800120399 北京
TB3 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] 1800120482 北京
TB3 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。
[成果] 1800120242 北京
TB3 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:全球纳米材料的研究进入了一个崭新的阶段,以需求为导向开展的宏观尺度纳米材料体系的研究已成为新的趋势。该项目以国家重大需求为牵引,从纳米材料和纳米结构的合成、表征及性能研究的成果中,优选出数种具有应用前景的纳米结构单元,进一步发展宏观尺度纳米材料体系的制备方法,实现从纳米结构单元合成的研究转到利用纳米结构单元组装成宏观尺度纳米材料体系的研究。重点揭示多尺度单元之间的界面效应和耦合效应,发现宏观尺度纳米材料体系中的新现象、新特性和新原理,争取在科学上有所突破,并发展出几种具有特定功能的、拥有自主知识产权的宏观尺度纳米材料体系,为新兴战略产业快速发展做出贡献。该项目的总体研究思路主要为:①利用制备的纳米结构单元构成微米尺度的结构单元(纳微化),再由此进一步构筑成宏观尺度的纳米材料体系(纳宏化、微宏化);②利用自组织生长的宏观尺度纳米阵列或二维网络,结合微加工技术,发展出几种制备功能化宏观尺度纳米材料体系的技术;③研究所构筑的宏观尺度纳米材料中的纳-纳、纳-微、微-微结构单元之间不同的界面结构对性能的影响。研究功能化宏观尺度纳米材料体系中不同材质、不同维度、不同尺度的界面效应和耦合效应;④从宏观尺度纳米材料体系的构筑,到实际应用中先进器件的制作,将“自下而上”技术与“自上而下”技术相结合,制备出满足先进器件需求的关键的宏观尺度纳米材料体系,在性能优化的基础上,设计和制作实用化、功能化的示范器件。
[成果] 1800120243 北京
TH7 应用技术 光学仪器及眼镜制造 公布年份:2017
成果简介:该项目发展了基于扫描探针技术的高时空分辨和原位动态的纳米表征方法,主要包括动态谐振调频/调相原子力显微镜技术;超快激光耦合扫描隧道显微镜技术;透射电镜中的扫描探针技术;低温扫描探针近场光学显微镜和扫描探针热学-声学显微镜技术等。在表面电子态及其激发动力学过程探测、单个纳米结构单元的性质-结构关系表征、纳米尺度物性与多场耦合性质测量等方面取得研究突破。获得的主要创新性成果如下:(1)发展了基于qPlus力传感器的非接触式原子力显微镜(qPlus-AFM)成像与谱学测量技术,解决了qPlus-AFM实验中的一系列关键技术问题,研制了高性能qPlus-AFM原子力传感器,建立了图像模拟的基本方法。(2)加工完成了多项低温扫描隧道显微镜(STM)关键部件,搭建了一套显微共聚焦超快时间分辨系统,对半导体,金属纳米结构,探针荧光等体系进行超快动力学研究;开发了超高真空原位光致隧穿电流时间分辨信号的探测技术和针尖增强的隧穿电致光谱技术。(3)研制完成透射电子显微镜-扫描探针联合装置。(4)实现了在纳米尺度扫描近场光学信号高分辨检测,完善了光的激发、接收、微弱信号的检测、数字图像处理等关键技术。
[成果] 1800120339 北京
TN3 应用技术 专用化学产品制造 公布年份:2017
成果简介:面向未来信息领域低功耗、高速度、长寿命及抗电磁干扰的存储与处理器件的发展需求,开展新型半导体自旋耦合电子材料和原型器件研究,突破高质量半导体自旋电子材料的制备技术、自旋电子原型器件加工工艺和光、电、磁等调控技术,获得高居里温度磁性半导体材料和高自旋极化率铁磁金属材料,研制新型自旋电子耦合原型器件,为半导体自旋电子信息理论与技术的发展奠定基础,促进信息存储与处理一体化器件的发展。项目研究意义、目标与主要研究内容:磁性半导体作为构筑未来新型自旋电子器件的重要材料体系,较低的居里温度和载流子迁移率是阻碍磁性半导体走向实用器件的基本材料问题,经过几十年的探索研究一直未有实质性突破。过去的研究摸索表明,传统的材料制备技术似乎很难获得高迁移率的室温铁磁有序的磁性半导体,对电荷和自旋分离引入的磁性半导体研究尚处于起步阶段,半导体中的自旋注入效率仍然偏低。磁性半导体仍然普遍存在居里温度较低、载流子迁移率低、单一磁性元素掺杂且掺杂难以控制等问题而无法实现室温工作的自旋电子器件。为了突破传统磁性半导体低居里温度、低迁移率、电荷和自旋不可分离调控的瓶颈,该项目提出两个不同于传统方法的技术途径来探索制备新型室温磁性半导体,突破居里温度偏低、单一磁性元素掺杂的瓶颈:①利用应力和降低维度等能带剪裁方法实现半金属到半导体的可控转变,并结合磁性掺杂,获得高迁移率室温磁性半导体;②通过共掺方法分别调控载流子和局域磁矩,实现高居里温度、电荷与自旋可分别引入与调控的均相新型磁性半导体材料。并利用原子级、多温区、成分精确可控的生长技术手段,合成结构有序且自旋极化率大于85%的Heusler铁磁金属薄膜及其与半导体的异质结构,实现向半导体中>40%的自旋注入效率,突破自旋注入效率偏低的难题。利用强自旋-轨道耦合作用与界面物理效应,研究多场(磁、电场、电流、光和热)调控低维人工磁性异质结中的自旋翻转与输运过程,进一步研制优化场调控的低功耗、快速响应的新型磁存储与逻辑原型器件。项目的实施将推动中国新型半导体自旋电子材料的发展和相关理论研究与技术的发展,培养一批活跃在半导体自旋电子材料研究领域的中青年人才,掌握若干具有自主知识产权的关键核心技术,提升中国在信息存储和处理技术领域的竞争力,促进中国信息产业的发展以及由此带来的社会经济效益。项目的社会影响力:磁性半导体可利用载流子自旋而非电荷作为信息载体,进行信息的加工处理、传输及存储,是构筑未来自旋电子器件的重要材料体系,受到许多国际著名科研机构的高度重视。但是由于磁性半导体仍然普遍存在居里温度较低的问题,对其自旋的调控、操作等各种功能演示基本上是在低温环境中进行的。而且由于材料中存在大量缺陷和杂质、磁性元素掺杂难以控制等问题,导致材料的载流子迁移率很低,且电荷和自旋也无法分别引入和调控,这些都是阻碍磁性半导体走向实用器件的基本材料问题。如典型的本征磁性半导体(Ga,Mn)As的居里温度仍低于室温,对电荷和自旋分离引入的磁性半导体研究尚处于起步阶段。而探索半导体自旋电子材料中自旋的多场耦合与调控方案,如轨道重构下的铁磁近邻效应、界面效应以及电场、电流、磁场、光场等多场操控自旋的实现,理解并有效调控磁性材料中以及界面处的自旋、晶格、电荷、轨道等自由度的有效耦合,是未来自旋电子技术发展的关键科学问题,在磁存储技术中有着重要应用前景。面向信息存储与处理一体化新型自旋电子器件的发展需求,探索制备具有室温铁磁性、高迁移率、电荷与自旋分离的新型磁性半导体材料,并开展自旋的多场耦合与调控研究,实现高效的自旋注入和若干新型自旋电子器件。项目的实施将推动中国新型半导体自旋电子材料的发展和相关理论研究与技术的发展:从材料基础物理方面,该项目的实施将对具有特殊自旋结构的新材料设计以及自旋相关新物理效应的探索起到重要的推动作用;从探索发展新材料制备技术方面,该项目的实施将推动不同材料制备技术的发展进步,如掌握分子束外延、化学气相沉积以及离子注入/辐照等在平衡与非平衡态生长、掺杂精确可控、以及原子层界面设计等方面的关键核心技术;从发展新型自旋电子原型器件方面,利用新型半导体自旋电子材料,实现向半导体的高效自旋注入、磁翻转的低阈值电压和电流等,则会进一步推动磁存储技术的应用发展。另一方面,新型半导体自旋电子材料的研究与自旋的多场耦合与调控研究总是相辅相成,轨道重构下的铁磁近邻效应、界面效应以及电场、电流、磁场、光场等多场操控自旋的实现,不仅会进一步丰富多场调控磁性的相关物理研究,也为研制低功耗的新型半导体自旋电子原型器件提供了可能的物理实现方案。通过超高密度信息存储与处理的新材料、新原理、新技术及新器件的探索研究,将培养一批活跃在半导体自旋电子材料研究领域的中青年人才,有力增强中国在这一领域的综合研究实力,掌握若干具有中国自主知识产权的关键核心技术并推动相关领域的学科发展,提升中国在信息存储和处理领域的国际竞争力,促进中国信息产业的发展,对关系国家和个人信息安全的未来信息技术产生深刻影响。
[成果] 1700320018 北京
O4 应用技术 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] 1700350372 北京
O 应用技术 自然科学研究与试验发展 公布年份:2016
成果简介:该项目属物理学中的原子分子物理学领域。激光冷却原子并实现玻色-爱因斯坦凝聚(简称BEC)是20世纪末物理学的重大进展。1997年以来已有4次诺贝尔物理学奖授予了与冷原子和精密测量相关的科学家(1997、2002005、2012年)。超冷原子BEC具有独特的量子力学波动性、宏观量子相干性及人工可调控性,是研究量子力学基本问题的重要平台,对发展原子钟、原子芯片等高新技术具有战略意义,成为世界发达国家抢占的制高点。以该项目成员为代表的中国科学家在该领域做出大量原创性工作,取得了突破性进展,主要成果包括:(1).提出超冷原子BEC相变的关键判据,建立新的BEC可积模型。在国际上率先开展激光冷却原子的实验研究,使中国成为少数最先实现BEC的国家之一。提出超冷原子BEC相变的关键判据,得到诺贝尔奖获得者C. E. Wieman教授的高度评价。建立参数可调的BEC可积模型并得到精确解,这是冷原子多体薛定谔方程精确解的最早工作,第一次定量地解释了W. Ketterle教授获得2001年诺贝尔奖的实验结果。(2).建立周期瞬子方法,实现冷原子射频导引和原子芯片BEC。提出周期瞬子方法来计算在高、低能区都适用的有限温度量子隧穿,解决了量子力学基本理论中的一个难题。预言冷原子量子隧穿效应,被G. M. Tino教授实验验证。首先在国际上实现冷原子射频导引和原子芯片BEC,得到诺贝尔奖获得者W. Ketterle教授的高度评价。(3).建造可移动式冷原子小喷泉钟,提出光晶格钟模型。建造了可移动式冷原子小喷泉钟、超高精度空间冷原子钟,为超高精度空间时频网络及下一代空间导航系统奠定基础。建立了光晶格钟理论模型,发现镱原子光晶格钟可达到运转137亿年误差不足一秒的精度,比现有的铯原子钟精确1000倍,为光晶格钟奠定了基础。被Nature Physics等期刊专门评述,应诺贝尔奖获得者C. Cohen-Tannoudji教授邀请,撰写其主编《原子分子年鉴》第三章。该成果在Phys. Rev. Lett.发表论文15篇,Phys. Rev. A/B 210篇,SCI他引5778次。10篇代表性论文SCI他引850次,1篇入选SCI高被引论文,1篇入选2009年中国百篇最具影响国际学术论文。被著名综述期刊Rev. Mod. Phys.、Phys. Rep.等发表专题评价。应邀撰写中英文专著共10章。在重要国际学术会议作大会报告50次,其中2010年在第22届国际原子物理学大会作大会报告,这是中国科学家首次在这个大会上作邀请报告。该成果建立超冷原子基本理论,发展冷原子钟、原子芯片等高新技术,引领并推动了超冷原子物理领域的发展。
[成果] 1700320241 北京
TN3 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2016
成果简介:项目属于电子与通信技术中的半导体材料领域。异质外延是微电子和光电子元器件制造的重要基础,其绝大多数都在晶格失配状态下进行的,然而,在生长超过临界厚度后,会产生大量位错,大大降低材料和器件的性能和可靠性。抑制位错是异质外延需要解决的一个关键科学问题。该项目对该问题及异质生长中产生的量子点制作新颖器及相关的表征手段进行了深入研究,取得了多项国际上有影响的原创性成果。主要科学发现如下:1)发现了利用高点缺陷密度层的高效阻挡位错独特方法:80年代贝尔实验室认为Si空穴迁移率低是限制集成电路频率的主要障碍,提出在Si衬底上生长SiGe使得在其上的Si薄膜发生应变,以增加空穴迁移率来提高频率,以实现下一代集成电路。在Si衬底上获得低位错密度、表面平整且无应力的SiGe层就成为关键问题。贝尔实验室用组分渐变方法来制备SiGe,被当时国际上认为最成功的技术,但其主要参数不能满足器件要求。该项目于1996年提出了在Si衬底上引入低温外延生长厚度仅50nm的高点缺陷密度Si层的独特高效位错阻挡方法,发现点缺陷可以吸收位错,加速在其上面生长的SiGe的应力释放。经诸研究单位和公司评估,认为该项目的生长方法获得SiGe薄膜的关键性能远优于贝尔实验室并满足了器件要求。现在应变Si已成为集成电路的主流。文章发表次年,著名学者Kasper在评论文章中就肯定了该方法。在之后的19年中,引用没有间断过,经受了时间的检验。2)用量子点实现了单芯片白光LED:市场上用蓝光LED加上黄色荧光粉合成白光作为新一代照明。但其有显色指数差、封装工艺复杂等缺点。该发现的关键点是在蓝光LED结构中,插入了InGaN应力予置层,从而促使量子阱InGaN发生相分离,形成富In的量子点。量子点发出黄光,其与量子阱的其它部分发出的蓝光混合成白光。金属有机化合物汽相淀积发明人G.B.Stringfellow教授在评论文章中肯定了该工作的新颖和发展前途。3)提出了研究薄膜表面局部应力及计算膜中位错密度的新方法:在异质外延SiGe层表面的十字网格影响集成电路的制作,该项目组首次将微区喇曼光谱扫描成象定量分析结合原子力显微镜用于研究表面十字网格,判明了起因,澄清了国际上的争论,该测量方法已成为研究表面局部应力的普遍方法;提出了利用高倾角晶面X射线衍射摇摆曲线与Φ扫描曲线宽度平均值来测量GaN外延薄膜扭转角和位错密度的方法。避免了以往繁琐的计算和模拟,得到了国际上的认同和普遍使用。发表的20篇重要论文被SCI他引652次,其中8篇代表性论文被SCI他引389次。系列丛书SEMICONDUCTORS AND SEMIMETALS和十余篇综述文章引用肯定了该项目独特位错阻挡方法,对该研究成果的原创性和科学意义给予充分肯定。科学发现点2的工作发表后,立即被Compound Semiconductor杂志进行了专栏报道,并应邀在Adv.Mater.杂志上发表了综述文章。
[成果] 1700310020 河北
TN92 应用技术 通信设备制造 公布年份:2016
成果简介:项目“基于光子晶体光纤的新型光子器件的基础理论与实验研究”属于光电子学与激光技术领域,基于光子晶体光纤(Photonic Crystal fiber, PCF)的传感器、偏振滤波器、分束器、非线性光学频率变换器、高效率色散补偿器件在光通信光电子器件领域具有潜在的应用。该项目的主要研究内容及科学发现点如下:1.光子晶体光纤在气体传感方面的优势及其机理研究。李曙光课题组从2007年开始利用PCF进行传感研究,在国际上首次利用自制的石英PCF对甲烷气体的吸收谱进行检测,这种方法对气体浓度测量的灵敏度可提高1个数量级,为利用微结构光纤对弱吸收气体进行高灵敏度探测奠定了基础。理论与实验研究揭示了光纤微结构中倏逝场与被测气体作用产生高灵敏度吸收峰的机理,给出了PCF作为气体敏感元件的新思路,发展了光纤传感的新方法和新技术。2.基于材料填充型光子晶体光纤的偏振滤波器和偏振分束器研究。通过在PCF包层气孔中选择性填充金属、水或液晶等材料有效地改变了光纤的偏振和损耗特性,设计了光通信波段具有良好偏振滤波特性或偏振分束特性的光子器件。由于金属填充PCF中包含微米或纳米量级的沿光纤轴向均匀分布的金属丝或金属膜,光载信号可以直接传递给具有良好导电性能的金属,这种特殊结构的光纤有望解决亚波长量级的光电子互联问题。3.飞秒激光在光子晶体光纤中传输高效率频率转换机理及其器件研究。提出了一种能够充分考虑PCF参数随脉冲频率变化的自适应分步傅里叶方法求解随机广义非线性薛定谔方程,极大地提高了脉冲在PCF中传输的模拟精度,揭示了脉冲压缩、光谱展宽和噪声形成的机理;制备了多种类型的PCF并利用其进行飞秒脉冲传输实验,获得了从可见、近红外到中红外波段的超连续谱,揭示了超短脉冲在PCF中传输出现色散波、可调切伦科夫辐射、高效率反斯托克斯信号转换的机理。为研制基于PCF的新型高稳定低噪声频率转换器件和连续可调宽带激光源奠定了基础。4.基于光子晶体光纤的高效率色散补偿器件研究。提出了一种石英基双层芯PCF结构,在1.55μm波长附近获得了-23000ps/km/nm的色散值,可对其长度100倍以上、用于宽带传输的标准单模光纤进行色散和色散斜率同时补偿。该项目在基于PCF的新型光子器件方面取得了系统性的研究成果,获得了国内外同行的高度重视和评价,具体如下:共发表SCI收录论文118篇,论文SCI他引382次,Google学术引用890次。其中该项目20篇主要论文SCI他引100次,其中前8篇代表性论文SCI他引52次。培养博士生2人、硕士生27人,其中14人获得校级优秀硕士论文、6人获得省级优秀硕士论文;授权发明专利3项,计算机软件著作权10项;完成国家自然科学基金2项、教育部博士点基金1项、中国博士后科学基金3项以及河北自然科学基金2项。
[成果] 1500210006 北京
TM2 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2015
成果简介:该成果属于新材料领域。主要发现点包括:系统研究了Fe-基超导体微结构、结构相变和物理性质。首次报道了K-Fe-Se超导材料中的相分离,确定了相分离产生机理和超导相形成的结构动力学过程;较早开展了新型Fe基超导体的研究,在LaOFeP系列超导材料微结构表征和新材料探索中做了重要前驱工作;利用原位电子显微术确定了电子铁电体LuFe<,2>0<,4>的电子极化分布;首次报道了多铁体系Fe<,2>0B0<,3>中的强磁电耦合效应,相变发生在150K。原位观察发现从室温几个纳米到低温数百纳米随温度演变的反相条带状畴结构,从微观角度直接观察到了强关联体系中电荷序转变过程和物理性质的关联;采用独立研制方案和技术路线成功研制了国内首台超快透射电镜。成果该领域发表SCI论文80余篇,10篇代表性论文被引用331次,他人引用264次。研究成果提升了中国在相关研究领域的影响力。
[成果] 1600060024 北京
TN2 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2015
成果简介:研究目的:“功能纳米量子结构的组装与物性调控”主要以原子、分子或其聚集体为基本单元,研究其组装机制,构造并调控纳米量子结构,并实现对其物理性质的可控调制,追求功能化,为未来功能纳米量子器件的构建奠定基础。主要科学发现:利用功能分子末端官能团与基底的相互作用不同在固体表面实现了功能分子选择性自组装,开创了一种新的外延生长A/B有序纳米结构的新途径-非模板选择性自组装。发现可以通过改变烷烃侧链来调控分子在固体表面上的纳米结构,对组装结构实现了可控调制。系统研究了功能分子在亚单层和单层情况下在固体表面上的组装与生长机制,发现了组装结构与覆盖度、分子-基底间相互作用等之间的关联。实现了金属表面有机半导体薄膜生长过程的原位观测,获得了并五苯分子在固体表面上的亚单层和单层情况下的组装结构,并发现其具有高的热稳定性。发展了一种单一溶剂中制备单分散贵金属及合金纳米粒子的组装方法。不仅能调控其尺寸,还能形成大面积单层和3D超晶格结构。首次通过改变酞菁铁在金表面的吸附位置实现了近藤效应的可控调制,提出了调控单分子自旋量子态的可能途径。首次在金表面构造了具有固定偏心轴的单个分子转子,实现了大面积有序阵列的组装。通过对分子体系输运性质的统计描述阐明了分子-电极接触对纳米量子结构输运性质的影响,给出了“平均”的平衡电导值,缩小了长期以来实验与理论之间的巨大差异。实现了大面积、单分散、不同直径的Fe<,3>O<,4>纳米粒子自组装超结构的可控制备,发现有序排列纳米粒子的间距不同,可对剩余磁化率和矫顽力进行调控。利用单分子自旋可逆“开关”的近藤效应,首次实现了对单个自旋量子态的可逆控制,为未来在量子自旋电子器件与传感器等领域中的应用开辟了新途径。成果产生的价值:这些系统性成果丰富了纳米量子结构构筑与物性调控的研究内容,为量子结构及其在器件中的潜在应用奠定了基础。关于“抛锚”、带有固定偏心轴的单分子转子及其有序阵列的工作被选为Phys.Rev.Lett.的“Editors’Suggestion”;美国物理学会Physics和英国物理学会等对该研究结果进行了亮点报道,称其是“单分子转子、单分子发电机/无线电辐射器构造的重要研究”和“原理上证实了实用化单分子器件的构造”等。
[成果] 1500520013 北京
[TM2, O] 应用技术 自然科学研究与试验发展 公布年份:2015
成果简介:超导具有零电阻和完全抗磁双重特性。利用这些性质以及约瑟夫森效应,超导技术在电力、能源、交通、医疗、微弱信号检测等方面得到了广泛的应用。然而,传统的超导材料临界温度Tc很低,使得超导技术的应用仍受到极大的限制。2008年高温超导电性在铁基材料中的发现是超导领域近年来最重大的突破。自2008年6月起至2011年7月,以确定铁基超导配对对称性和澄清高温超导机理为目标,该项目利用角分辨光电子能谱(ARPES)实验技术,对多种类型的铁基超导体的超导序参量在动量空间中的分布和相关的电子结构进行了系统的高精度测量,并在此基础上建立了局域反铁磁交换耦合模型,为理解铁基高温超导机理提供了唯象的理论框架。主要的研究成果有:在国际上首次成功对铁基超导体的超导序参量在动量空间中的分布进行了高精度ARPES测量,在Ba<,0.6>K<,0.4>Fe<,2>As<,2>超导体中观测到依赖于费米面无节点的超导能隙分布。该结果发表在EPL上,被国际同行公认是对铁基超导体的S波配对对称性的建立具有奠基性意义的工作,并被Physics、EuroPhysics News、Science Watch、Physics Today作为突破性成果多次点评。对多种类型的铁基超导体的超导序参量进行了细致的测量,进一步肯定了铁基超导体的s波配对对称性,总结出超导序参量在动量空间中的分布规律,在该基础上建立了局域反铁磁交换耦合模型,为理解铁基高温超导机理提供了唯象的理论框架。该系列工作发表在Nature Physics/Communications、PNAS、Physical Review Letters、EPL等学术期刊上。对铁基超导电性和费米面拓扑结构之间的关系进行了系统的研究,其中最突出的工作是在具有较高Tc的K<,1-x>Fe<,2-y>Se<,2>超导体中发现布里渊区中心空穴型费米面消失,打破了早期流行的费米面嵌套诱导的反铁磁涨落导致铁基超导电子配对的弱耦合观点,成为对铁基超导机理的理解趋向强耦合理论的转折点。相关工作发表在Physical Review Letters上,其中代表性论文5入选2011年中国百篇最具影响国际学术论文。上述研究工作不仅有力地推动了铁基超导领域的发展,而且为从微观上理解包括铜氧化物在内的高温超导现象提供了坚实的实验依据和理论基础,并为探索具有更高Tc的超导材料提供了线索,该项目发表的18篇主要论文被包括Nature,Science和多篇综述性文章在内的论文他人引用1641次,其中8篇代表性论文被他人引用1164次,代表性论文1是铁基超导领域被引用次数最多的ARPES论文。这些关于超导配对对称性的系统研究成果得到了国内外同行的广泛肯定,项目主要完成人丁洪和钱天应邀为《铁基超导体物性基础研究》一书撰写ARPES研究部分的一章内容,应邀在Report on Progress in Physics杂志上发表长篇综述文章。项目第一完成人丁洪由于在铁基超导领域的突出贡献在相关国际学术会议上做邀请报告43次,并入选2014年Thomson Reuters “中国引文桂冠奖一科研团队奖”。
[成果] 1500520015 北京
O 应用技术 自然科学研究与试验发展 公布年份:2015
成果简介:该项目所属学科分类:超导物理学(1405070)、低温物理学(1405075)。铜基和铁基高温超导体的超导机理研究,是凝聚态物理中公认的最突出也最具挑战性的物理问题之一。角分辨光电子能谱技术,作为唯一能对材料电子能带结构进行直接测量的最有力的工具,在高温超导机理研究中发挥着举足轻重的作用。课题组从这一突出科学问题出发,自主研制了国际首台真空紫外激光角分辨光电子能谱系统,并完全基于该设备,开展了系统性和开创性的研究工作,取得了一系列重要成果,产生了广泛的国际影响,主要包括:自主研制出国际首创、性能国际领先的真空紫外激光超高分辨角分辨光电子能谱仪系统。随着研究深入,对角分辨光电子能谱的性能也提出了越来越高的要求。为了实现更高性能,课题组开创性的将真空紫外激光光源应用到了角分辨光电子能谱技术上,于2006年底成功自主研制了国际首台《超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪》,主要技术指标国际领先。实现了角分辨光电子能谱能量分辨率好于1meV的长期梦想,把角分辨光电子能谱技术提高到一个新的台阶。首次直接观察到铜氧化物高温超导体中的费米口袋以及一种新的电子耦合模式。对铜氧化物超导体欠掺杂区域的研究,是理解高温超导机理的关键。20多年来,角分辨光电子能谱观察到的费米面形状一直支持费米弧图像。课题组利用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱的超高分辨率的优势,在实验上首次直接发现了费米口袋和费米弧共存的奇异现象。这项工作,对理解高温超导体奇异正常态的性质,检验和建立新的理论,具有重要的推动作用,在超导领域引起了重要反响和讨论。此外,利用课题组谱仪,首次在高温超导体BI2212中观察到了一种新的电子耦合方式,并发现其与超导电性密切相关。新发现的电子耦合模式为高温超导材料中库珀对的起源研究提供了重要实验证据。最先报道铁基超导体的超导能隙结构,发现对铁基超导电子配对起决定作用的能带特征。2008年铁基超导体发现后,课题组采用角分辨光电子能谱技术,在国际上最先报道了铁基超导体的各向同性、没有节点的能隙结构,为早期理解铁基超导体超导机理、建立铁基超导理论提供了关键信息。在对A<,x>Fe<,2-y>Se<,2>(A代表K,T1或Cs)新铁基超导体系的研究中,发现了它们普适的独特的电子结构特征(只具有电子型费米面),对铁基超导机理研究中的一种主流的“费米面嵌套理论”提出了挑战,成为甄别铁基超导理论的重要实验依据。该项目发表SCI论文总计21篇,包括Nature 1篇,Phys.Rev.Lett.4篇,授权发明专利2项。主要论文被他人引用546次,并被Nature, Science及多篇综述文章引用和介绍。相关工作在国际会议上做邀请报告40余次,其中一项工作入选2009年中国基础研究十大新闻,一篇论文被评为2011年中国百篇最有影响力论文。基于以上部分结果,已获中国物理学会“胡刚复奖”,周光召基金会首届“杰出育年基础科学奖”,“全球华人物理学会亚洲成就奖”。
[成果] 1600060025 北京
TB3 应用技术 工程和技术研究与试验发展 公布年份:2015
成果简介:该项目属于低维物理与纳米材料研究领域。研究目的:纳米材料与纳米结构表现出独特的尺寸效应和量子效应等新奇物理现象,不仅为构筑高性能的纳米器件提供了可能,而且对前沿纳米器件的研制及应用具有重要的价值。但如何在室温下发现并呈现纳米材料与纳米结构的新奇物理特性并以此构筑高性能的纳米器件,一直是困扰该领域研究者的难题之一。该项目聚焦信息纳米材料与纳米结构的本征特性测量、新奇物理特性的发现及高性能纳米器件的构筑方法,系统研究了几种典型纳米材料与纳米结构的新奇物理特性和前沿纳米器件的构筑,获得了一些非常重要的科学发现。主要科学发现归纳如下:发明了一种原位测量纳米材料本征物性的新方法。通过扫描电镜内多探针分立一维纳米材料与器件本征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,首次发现了多壁碳纳米管具有多通道弹道输运特性和高电流承载能力,该发现证明了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。该成果作为封面文章发表在《物理评论快报》(PRL)上,带动国际上50多个小组的跟踪研究。发展了纳米结构中磁畴壁动力学研究的实验手段和纳米器件构筑方法。采用纳米加工新方法,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,首次设计并研制出全金属的磁逻辑纳米电路,与传统的CMOS技术兼容。成果发表在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)上,引起国际高度关注。首次直接测量了不同直径的单根导电高分子纳米线的电子输运性质,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。利用自组装方法,实现了导电聚合物纳米管的可控制备,观察到室温下电导率反常尺寸效应、低温电子-电子相互作用增强效应、弱磁电阻效应和纳米接触电阻效应,证明可以在较宽的范围内调控导电高分子纳米线的电导率,为实现其在纳电子器件方面的应用提供了实验和理论根据。成果产生的价值:这些创造性科学成果为认识和发现低维纳米材料在室温下的新奇特性提供了有效手段,揭示了纳米尺度材料的奇异构效关系,发展了基于材料新奇特性构筑器件的可控方法,带动了基于构效关系的新型纳米器件研究领域的发展,为高性能纳米器件与电路的应用奠定了科学基础。该项目的10篇代表性论文在国际上产生重大影响,其SCI总影响因子达97.226,SCI他引671次,包括Science、Nature等著名刊物的多次引用。
[成果] 1400220010 北京
TP3 应用技术 [工程和技术研究与试验发展, 电子器件制造] 公布年份:2014
成果简介:该成果属于新兴学科自旋电子学研究领域。以图型化磁性隧道结、特别是纳米环磁性隧道结(MTJ)的微纳加工制备为核心,开展了相应的材料、物理和器件研究,取得了一系列原创性成果,主要包括:1.率先制备出外直径为100nm、环宽20至30nm的最小尺度环状磁性隧道结。实现了利用100A数量级的自旋极化电流翻转自由层磁矩,并获得了室温下20%~100%的隧穿磁电阻比值。这些高性能纳米环MTJ材料,由于自由层与参考层的磁矩成闭合状,可消除层间和相邻单元的杂散磁场,避免层间和相邻单元间的耦合干扰,有利于提高器件的集成密度和热稳定性,为进一步开发有自主知识产权的纳米环磁随机存储器、自旋振荡器和磁逻辑等新型自旋电子学器件,奠定了重要的材料基础。2.提出了以纳米环磁随机存储器(MRAM)为代表的三类MRAM的原理型器件设计结构;研制了纳米环4x4bit和常规16x16bitMRAM原理型演示器件。MRAM具有非易失性、功耗低、读取速度快、防辐射、可无限次擦写等优点,可广泛用于工业自动化、数据存储、卫星航天等重要的工业和国防领域。3.发展出一种纳米尺度下有效观测自旋翻转长度的新方法,并利用第一性原理计算了双势垒磁性隧道结中量子阱共振隧穿效应。能准确调控和利用自旋翻转长度及量子阱共振隧穿效应,为发展和研制MRAM、自旋纳米振荡器和自旋晶体管等自旋电子学器件提供了新的物理依据。成果共发表SCI论文60篇,被他人引用516次,研究成果被国际同行SCI他引和积极评价超过100余次,参与编写专著《自旋电子学》,近六年获得各类相关国际会议邀请报告20余次。获授权发明专利12项,国际专利4项,9项MRAM中国发明专利授权和美国及日本等4项国际专利授权。
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