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电子显微技术及其在材料科学中的应用

2014-04-25

  为了深入研究功能材料和新型器件的性能,必须对材料的原子结构有系统的了解,同时发展先进的电子显微学方法。现代电子显微镜技术可以揭示材料和器件的多种重要结构现象,包括界面原子结构、结构相变和局域电子结构等。超导和多铁材料是目前材料科学及凝聚态物理研究热门课题,“电子显微技术及其在材料科学中的应用”项目重点关注了电子和几何铁电材料的微结构,深入分析了电荷序和铁电性,局域原子排布和拓扑畴的关联;系统研究了微观结构对新型铁基超导体物理性质的影响。项目获得基金委重大研究计划、国家自然科学基金面上项目、973国家重大科学研究计划支持,由中国科学院物理研究所主持完成,主要完成人有李建奇、杨槐馨、田焕芳、马超。

 

一、项目创新点

项目建立了一套完整的低温结构分析方法,发展了第一原理电子能量损失谱模拟解释,原位电场加载及洛仑兹电子显微技术,并结合球差校正透射电子显微术,系统研究了多铁和超导材料体系微结构和结构相变,取得系列重要结果。

1.首次报道了Fe2OBO3中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和磁相变点强的磁电耦合效应(图1);利用电子能量损失谱和第一原理电子结构计算研究了该材料电荷有序态的电子结构特征。

2.系统研究了几何阻挫RMnO3多铁体系的拓扑铁电畴结构,观察并合理解释了该体系存在的三维“洋葱状”多层铁电畴构型;利用球差校正透射电子显微镜就该系统中的畴壁和涡旋中心原子结构进行了直接观察。

 

  3统研究了电荷阻挫体系(RFe2O4)(RFeO3)n结构和物理性能,给出了LuFe2O4体系电荷有序基态并给出了新的自发极化机理;分析了氧含量对LuFe2O4-δn=0)铁电性能和电荷序的影响,在低温下观察到了多重电荷序和电子相分离现象;利用球差校正透射电子显微镜就该系统中的氧空位进行了直接观察,结合EELS技术系统分析了Lu2(Fe,Mn)3O7中的微观结构特征和电荷不均匀性;利用原位电场加载TEM实验揭示了LuFe2O4非线性I-V行为与电流驱动的绝缘体–金属转变和电荷有序态的融化直接相关。

  4.系统研究了Fe-基超导体结构和物理性质,对122相的低温结构相变进行了原位观察分析,给出了低温正交相孪晶畴结构的变化规律和畴结构模型;在CaFe2As2四方相中观察到和Ca层的局域结构畸变有关的准周期一维调制结构;首次报道了K-Fe-Se超导材料中的相分离,该材料中复杂的多重Fe空位有序态和多尺度相分离与系统的超导电性存在密切关系(图2)。

 

二、成果应用及社会效益

高温超导体在开源和节流方面都具有潜在的应用前景。除此之外,高温超导作为一种宏观量子现象在微弱电磁信号检测、微波以及量子计算等方面也具有重要的应用价值和广阔的市场前景。多铁材料是最近几年发展起来的一类磁电功能材料,在信息储存、自旋电子器件、磁传感器、电容–电感一体化器件以及微波技术领域有着广泛的应用前景。超导和多铁材料是目前材料科学及凝聚态物理研究热门课题,该项目中某些关键问题的突破,为相关的实验与理论计算方法注入新的活力,提升了我国在相关研究领域的影响力。

项目20112013在国内外主要学术期刊上发表论文37篇,35篇被SCI收录,研究结果得到国内外同行的强烈关注,其中PRB83 (2011) 140505(R),入选2011年中国百篇最具影响力国际论文,目前已被引用105次。

 

主要完成人介绍

李建奇,中国科学院物理研究所研究员,博士研究生导师。曾入选中科院百人计划(1998年),获评国家杰出青年(2002年)、国家杰出青年团队成员(2002年),获得北京市科学技术二等奖(2003,排名第一)。主要从事强关联物理系统结构问题的研究,并开展新型超导材料及多铁材料的探索和结构研究。侧重于发展超快电子显微术,原位结构分析和Lorentz电子显微术。在国际主要期刊已发表论文200多篇,他人引用累计超过1400次,受邀做国际会议报告30多次。

杨槐馨,中科院物理所研究员,博士生导师。获英国皇家协会 KC WONG 奖学金(2002年),中国电子显微镜学会青年优秀论文奖(2008年)。主要从事功能无机氧化物的制备、电子显微学结构分析、结构和物性的关联。近年已在国内外学术期刊上发表论文100余篇,引用累计超过900次。

田焕芳,中科院物理所副高级工程师。获中科院物理研究所所长优秀奖学金(2005),第十六届国际电子显微学会议(日本)奖学金(2006)。主要从事电子全息、透射电子显微学技术方法研究。

马超,中国科学院物理研究所副研究员。主要利用透射电子显微镜的相关实验技术,如电子衍射、高分辨像、电子能量损失谱、会聚束电子衍射、高角环型暗场像和原位TEM技术等,研究功能材料的局域原子结构、电子结构特征和低温相变行为,理解材料的微观结构和物理性能之间的关联。近年在国内外学术期刊上发表论文30余篇。