自支撑多铁性薄膜材料研究的机遇与挑战

多铁性材料兼具铁电、铁磁等两种或两种以上铁性有序,并且通过不同铁性之间的多物理场耦合实现新奇磁电效应,在信息存储、换能、传感等方面具有广阔的应用前景。当前,在基础及应用研究方面仍存在许多亟待解决的科学技术问题,譬如寻找及制备室温以上具有强磁电耦合效应的多铁性材料,以及解决与半导体的器件集成问题等,而近年来迅速发展的自支撑薄膜制备技术为此提供了新的机遇。与块体材料及束缚在刚性衬底上的外延薄膜相比,自支撑薄膜具有极为优异的晶格调控自由度,可获得前所未有的极端一维、二维应变(应变梯度),并能够实现人工异质结的构建与器件集成等,为多铁性材料的研究提供了新的材料体系和契机。文章围绕自支撑钙钛矿氧化物(多)铁性材料及人工异质结,总结了最近的重要研究进展,并尝试初步探讨该方向未来可能面临的机遇与挑战。     

磁电多铁性材料的宠儿:铁酸铋(BiFeO_3)研究进展的十年回顾

近十几年来,由于对新一代高性能(低能耗、高存储密度、高读写速度)电子功能器件的需求,多铁性材料特别吸引人们的关注。在这些多铁性化合物中,铁酸铋(BiFeO3,简写为BFO)具有高的铁电居里温度和高的反铁磁转变温度,是目前最有应用前景的多铁性材料之一。文章介绍了BFO的晶体结构、铁电极化结构以及反铁磁自旋结构,探讨了在它的基态和高应变状态下,极化与自旋是如何强耦合在一起的。在此基础上,进一步探讨了利用铁电/反铁磁BFO基体系来实现强磁电耦合效应(特别是在低维系统如异质结界面、畴壁或相界中)。文章还对BFO基纳米复合自组装结构中的磁电耦合做了简单介绍。通过对BFO这一多铁性模型体系的研究,可以帮助人们更好地认识铁性材料中衍生出的新奇量子现象,从而利用高等外延生长技术开发和设计新型人造超结构来实现材料的电性、磁性和弹性之间的耦合。     

具有广阔应用前景的纳米金刚石膜

纳米金刚石膜的制备、表征和应用研究已经成为CVD金刚石膜研究领域的一个新的热点．文章重点介绍了Gruen等人在贫氢和无氢环境中制备纳米金刚石膜的开创性工作,并和在富氢气氛中制备的纳米金刚石膜进行了对比评述．对纳米金刚石膜的表征技术和应用前景进行了讨论．     

高温单相多铁性材料与强磁电耦合效应

高温多铁性与强磁电耦合效应是多铁性材料研究领域的两个核心内容。文章首先介绍了已知单相多铁性材料的分类,然后简要综述了一些具有高温多铁性与强磁电耦合效应的代表性材料体系,包括螺旋磁结构六角铁氧体、电荷有序化合物、金属—有机骨架材料等。     

原位液相透射电子显微镜及其在 纳米粒子表征方面的应用

近年来,基于透射电子显微技术、微纳加工技术和薄膜制造技术的发展,原位液相透射电子显微技术产生,为构建多种纳米级分辨率尺度下的微实验平台,发展新型纳米表征技术和众多领域的相关研究提供了途径.本文首先介绍了应用于原位液相透射电子显微技术的液体腔设计要求,然后介绍了液体腔的发展和典型的制备工艺,最后综述了近年来液体腔透射电子显微镜在纳米粒子成核和生长方面的应用研究,并探讨了该技术前沿发展面临的机遇和挑战.本文将为提高我国先进纳米表征技术和原子精准构筑技术提供相关讨论和支持.     

多铁性十年回眸

多铁性研究可上溯至1950年代,作为凝聚态与材料物理的一个研究方向也算历史悠久;但大规模研究则主要受2003年两项里程碑性成果驱动,距今正好十年。所谓"十年树木",古训赋予我们回眸十年多铁研究的一个理由。这两项成果之一是BiFeO3外延薄膜制备及磁电耦合观测,主要贡献在于将互无交叠的磁电耦合唯象理论与多铁性微观物理框架通过铁性畴层次有机结合,触发多铁性薄膜与异质结的广泛研究。另一项成果是发现TbMnO3中巨大的磁电耦合效应,开启探索一大类具有崭新物理内涵的多铁性物质之路。对多铁性薄膜异质结的研究深入细致,体现了层层盘剥、细嚼慢咽的风格。而单相多铁性的探索则百花齐放、只争朝夕。前者如能工巧匠,其足迹是精湛研究技术方法与物理理论相结合的图画。后者如春潮奔腾,所到之处气象万千,其大观是科学发现与新材料探索的范例。文章基于粗略框架,对多铁性研究十年图景粗作描绘。有关多铁性各方面的详细论述则见诸本专题之隽文秀语。多铁性研究经历分而春秋的黄金十年,正出现久分必合的迹象,令人不忍释手。     

多铁性磁电器件研究进展

多铁性材料可以实现力、电、磁等多物理场之间的相互耦合,在小尺寸、快速响应和低功耗的磁电器件领域具有重要的应用前景.在应用需求的推动下,以具有磁电耦合效应的多铁性材料为基础的磁电器件在设计、微纳加工和性能优化等方面的研究取得了持续的进展.本文简要介绍了基于磁电耦合效应的几种原型器件的最新进展,包括可调谐电感、滤波器、磁电存储器、能量回收器、磁电传感器和磁电天线等,分析总结了各种磁电器件的工作原理及其性能表现,讨论了当前多铁性磁电器件研究所面临的问题和挑战,并提出了改进磁电器件性能的研究方向.     

不同碳源气制备纳米碳管的研究

本研究采用CH4和C3H6两种碳源气,通过有机气体催化裂解法,在合适的工艺条件下,分别制备出纳米碳管。并用XRD、TEM、BET吸附等方法对制得的纳米碳管进行了表征。实验结果表明:采用两种碳源气制备的纳米碳管,其形貌有所不同。     

异常双钙钛矿A_2BB′O_6氧化物的多铁性

异常钙钛矿结构氧化物是多铁性材料家族中研究得最为广泛的体系之一.本文从ABO_3钙钛矿结构出发,引入了异常A_2BB′O_6双钙钛矿材料,首先简要介绍了传统及异常A_2BB′O_6双钙钛矿氧化物的结构特点;然后讨论了A_2BB′O_6多铁性材料的研究进展,包括A位为Mn,Ni等过渡金属离子的极性磁体多铁性材料和A_2CoMnO_6(A=Lu,Y,Yb,Lu)以及Mn_2FeSbO_6等第II类多铁性材料;最后,在以上基础上展望了异常A_2BB′O_6双钙钛矿多铁性研究中存在的问题及新型多铁性材料研究的方向.     

纳米材料的同步辐射研究

近年来,科学家们在纳米材料的生长及应用研究等诸多方面取得了巨大的进展.然而,由于受到表征手段的限制,纳米科技领域的许多关键科学问题至今仍未得到清楚的解答.同步辐射具有多种独特优点,随着国内第三代同步辐射光源的逐步发展,基于同步辐射的各种实验技术将为实时、原位、动态地表征纳米结构提供功能强大的研究平台.文章简单介绍了基于同步辐射的一些新型纳米结构表征技术,并根据作者的研究举例说明了同步辐射技术在纳米材料研究方面的一些优势.     

多铁性异质结:1+1≠2

基于异质结界面而得以实现的复合型多铁性或磁电耦合性质本质上是一种呈展现象,即这种性质不是其组成成分单独所具有的特性,这体现了材料体系从简单到复杂过程中的某种跳跃式发展过程,即1+1≠2。文章主要介绍了近年来在多铁性异质结上的一些研究进展,包括界面磁电效应、多铁性隧道结以及基于异质结构的电控磁性等。这些进展表明,异质结研究极有可能是多铁性研究走向实用化的突破口。     

ICF靶材料和靶制备技术研究进展

 主要介绍了中国工程物理研究院ICF靶材料科学与靶制备技术在材料研究、靶丸制备技术、薄膜制备技术、精密微工艺及靶参数测量等方面的主要研究进展。在靶材料研究方面,近年相继研制成功全氘代聚苯乙烯（D-PS）有机材料、微靶掺杂和激光吸收与X射线转换金属纳米或团簇材料;探索了新型有机气凝胶储氢材料,开展了金属小团簇理论研究和纳米金属复合材料的研究工作。在靶制备技术与工艺方面,完成了PS单层、双层和三层塑料空心微球的研制工作;利用低温等离子体聚合涂层技术,建立了微球表面沉积纯CH薄膜以及金属掺杂CH薄膜的工艺和技术;在玻璃微球充氩技术研究中,开展了原子力扫描显微镜对玻璃球壳钻孔工艺研究以及粒子辐照改性充气技术研究,等等。     

基于量子点的荧光型太阳能聚光器

近年来,量子点在结构可控、光谱调节和光学稳定方面的研究进展,表明基于量子点的聚光器件表现出优于基于传统有机染料分子的光输出性能。量子点聚光器成为目前量子点研究领域的新方向。量子点在宏量制备和绿色制备方面的深入研究,使得量子点的制造成本逐步降低,基于量子点的聚光器具有光电转换效率和成本上的优势。本文综述了量子点聚光器的研究进展,主要包括荧光型聚光器的优点、聚光器对量子点光学性质的要求、器件制备的工艺和器件的性能表征方法。重点阐述了量子点的太阳光吸收能力、荧光量子产率和重吸收等关键因素对聚光器件性能的影响,同时介绍了该领域目前最新的研究方向,展望了廉价太阳能窗户在未来城镇建筑上的潜在应用。     

单相多铁性材料中静态与动态磁电效应研究新进展

多铁性材料是一类新型多功能材料,其中磁有序与铁电序共存,且序参量之间存在非平庸的相互耦合效应。这使其具有巨大的工业应用前景并蕴含着丰富和有趣的基础物理问题。本文首先简要回顾多铁性材料研究的历史,重点介绍由磁有序引起的新型多铁性材料的实验和理论的新进展。随后,我们系统地概述多铁性材料中演生的一类新的元激发(即电磁振子)的物理特性以及当前对其产生机制的理解。最后,我们总结了多铁性材料研究中尚未解决的技术问题,并展望了多铁性材料的发展趋势。     

脉冲强磁场下的电极化测量系统

多铁性材料是当前物质科学研究的热点,具有重要的科学研究意义和应用前景.低温和强磁场实验环境为研究多铁性材料提供了一种有效途径.脉冲强磁场下的电极化测量系统能实现最高磁场强度60 T、最低温度0.5 K的铁电特性测量.该系统采用热释电方法,具有磁场强度高、控温范围广、转角测量等特点,可用于强磁场下的磁电特性研究.本文介绍了该系统的测量装置和实验原理,并展示了其在多铁性材料研究中的一系列应用,揭示了脉冲强磁场电极化测量系统在磁电特性探索中的重要作用.     

多铁性材料的第一性原理模型哈密顿量研究

由于在某些多铁性材料中存在着自旋、轨道和晶格等多种自由度的强耦合,它们会表现出丰富而有趣的相图与物理性质。但目前第一性原理方法还不能直接用来研究这些材料在有限温度下的物理性质。而基于第一性原理的有效哈密顿量方法却可突破这一限制。文章通过介绍几项研究工作,包括磁致铁电体RMn2O5和CuO的相图,以及RMn2O5中的电磁子,来说明这个方法在多铁性材料研究中的应用。     

CdSe纳米晶的制备条件对发光特性的影响

以巯基乙酸为稳定剂,在水相中制备了CdSe纳米晶水溶胶,并用X射线光电子能谱和透射电子显微镜对其进行了表征,证明了CdSe纳米晶的形成。研究了在不同反应时间所制备的CdSe纳米晶的XRD谱以及吸收光谱和发射光谱的变化情况,并且还研究了不同反应物配比情况下的发射光谱的变化,结果表明改变CdSe纳米晶的制备条件,将会对CdSe纳米晶的发光特性有显著的影响。     

用分散聚合反应制备SiO2/PS包覆粒子（英）

采用分散聚合反应制备了纳米SiO2/PS包覆粒子,并对其结构进行了表征。首先在超声波场中用表面活性剂对纳米SiO2粒子进行亲油化处理,然后在氮气保护下利用超声波的分散、粉碎、活化、引发等多重作用,在实现纳米SiO2粒子在反应介质中纳米分散的同时,引发苯乙烯单体在纳米SiO2粒子表面发生分散聚合反应,制备出纳米SiO2/PS包覆粒子。最后,采用SEM,TEM,FTIR,XPS等测试手段对纳米SiO2/PS包覆粒子进行了表征,测试结果表明,PS实现了对纳米SiO2的包覆,形成了核壳包覆结构。     

Au纳米颗粒和CdTe量子点复合体系发光增强和猝灭效应

利用金属蒸发真空多弧离子源注入机, 将Au离子注入到高纯石英玻璃来制备镶嵌有Au 纳米颗粒的衬底材料, 随后将化学方法合成的CdTe量子点旋涂在玻璃衬底上制备了Au纳米颗粒和CdTe量子点复合体系. 通过对镶嵌有Au纳米颗粒的衬底进行热退火处理来控制Au纳米颗粒的生长和分布, 系统研究了Au纳米颗粒的局域表面等离子体共振对CdTe量子点光致发光性能的影响. 利用光学吸收谱、原子力显微镜、透射电子显微镜和光致发光谱对样品进行了表征和测试. 光致发光谱表明, Au纳米颗粒的局域表面等离子体对CdTe量子点的发光有增强效应也有猝灭效应. 深入分析了Au纳米颗粒和CdTe量子点之间的相互作用过程, 提出了关于Au-CdTe 纳米复合体系中CdTe 发光增强和猝灭的新机理. 该实验结果为利用金属纳米颗粒表面等离子体技术制备高发光性能的光电子器件提供了较好的参考.     

自悬浮定向流法制备纳米铜微粒及其结构表征

 采用自悬浮定向流法制备金属铜纳米微粒，并用TEM，XRD和AES等分析手段研究了铜纳米微粒的形貌、粒度、结构及其表面氧化层特性。结果表明，在一定的参数条件下采用自悬浮定向流法可制备出单晶纳米铜微粒，并且通过工艺参数的调控可达到对微粒粒度的控制。