松山湖材料实验室

松山湖材料实验室坐落于粤港澳大湾区重要节点城市东莞,于2017年12月22日启动建设,2018年4月完成注册,是广东省第一批省实验室之一,参与大湾区综合性国家科学中心先行启动区(松山湖科学城)建设的重要科研平台。实验室布局有前沿科学研究、公共技术平台和大科学装置、创新样板工厂、粤港澳交叉科学中心四大核心板块,致力探索“前沿基础研究→应用基础研究→产业技术研究→产业转化”的全链条创新模式。总体规划1 200亩,首期计划投资经费超过50亿元,目标定位为建成有国际影响力的新材料研发南方基地、国家物质科学研究的重要组成部分、粤港澳交叉开放的新窗口。

聚天下英才 构建国家战略科技力量——专访松山湖材料实验室常务副主任陈东敏

2017年12月,为进一步加强广东省基础与应用基础研究,全面支撑科技创新强省和粤港澳大湾区国际科技创新中心建设,广东省正式启动省实验室建设,对标国际最优最好最先进水平,打造国家实验室"预备队"。作为首批启动建设的4家省实验室之一,松山湖材料实验室(以下简称"实验室")于2018年4月成立。实验室战略性布局前沿科学研究、公共技术平台和大科学装置、创新样板工厂、粤港澳交叉科学中心四大核心板块,并努力打造"前沿基础研究-应用基础研究-产业技术研究-产业转化"的全链条研究模式。经过三年的创新发展,实验室产出了一系列重大原创性成果,培育出一批材料科学及相关领域的科技领军人才,有力推动了粤港澳大湾区成为国家重要创新引擎,逐渐成为具有国际影响力的创新战略高地。近日,本刊记者专门电话连线了实验室常务副主任陈东敏教授,就实验室近3年来的创新发展成效进行了专访。

“双碳”背景下新能源材料技术发展策略——以松山湖材料实验室为例

降低对于化石燃料的依赖,从源头节能减排是早日实现“双碳”目标的根本路径之一,变革性能源材料技术将为“双碳”目标的实现提供强有力的战略性支撑。发展太阳能—储能电池供电体系和交通能源电动化,让煤、石油和天然气从燃料回归到材料,松山湖材料实验室正在为此而努力。该实验室新能源材料与器件研发中心按照从应用基础研究到产业转化的全链条创新模式进行研发,文章重点选取了实验室高效晶硅太阳能电池、锂离子电池材料、柔性及锌基电池3个团队的工作予以介绍。为了打通成果转化的“最后一公里”,各团队3年多来建立了研究和中试线,把相关核心关键材料和器件转化成产品,通过创新工场模式与产业界密切合作。建议统筹规划,稳定支持实验室研发,以及打造研发中心—创新工场—产业园区集群式发展模式。

泡沫填充负泊松比蜂窝夹层结构的抗爆性能数值模拟

为研究爆炸荷载作用下泡沫填充负泊松比蜂窝夹层结构(Foam-filled Auxetic Honeycomb Sandwich Structure,FAHSS)的动态响应及其对混凝土板的防护性能,利用有限元软件,考虑应变率对材料动态本构特性的影响,建立FAHSS在爆炸荷载下的有限元数值模型。通过已有负泊松比蜂窝夹层结构(Auxetic Honeycomb Sandwich Structure,AHSS)的爆炸试验对数值模型进行验证,基于验证模型分析爆炸荷载作用下FAHSS的损伤破坏规律、能量吸收特性及其对混凝土板的应力分布影响,并与AHSS和FSS(Foam Sandwich Structure)进行对比。在此基础上综合考虑聚氨酯泡沫材料密度、爆炸比例距离及填充材料等因素对FAHSS抗爆性能的影响。研究结果表明:FAHSS中的泡沫填充降低了负泊松比蜂窝夹层结构的破坏程度;随着聚氨酯泡沫材料密度的增加,FAHSS中的泡沫材料吸收能量增加;随着比例距离的增加,FAHSS的破坏程度逐渐降低,破坏形态也由局部破坏转变为整体破坏。

Ti和Nb微合金化对CuZr基相变增韧非晶复合材料组织性能的影响

以典型B2相增韧非晶复合材料形成合金Zr_(48)Cu_(48)Al_(4)为基础,分别研究了Ti、Nb微合金化添加对其凝固组织和性能的影响规律。研究发现,与基础合金相比,微合金化显著改变了B2相的组织形貌(包括大小、数量、形状),其中Ti微合金化降低了B2晶体相的形核能力,提高了非晶和非晶复合材料的形成能力;而Nb微合金化则提高了B2相的稳定性,并大幅提高了非晶相与B2相的硬度以及非晶复合材料的强度和压缩塑性(分别达到了1470 MPa和21.5%)。本研究为非晶复合材料的成分设计与制备提供了实验依据,对开发高性能相变增韧非晶复合材料具有参考价值。

英国散裂中子源工程材料原位加载衍射实验高温样品环境优化设计

英国散裂中子源(ISIS)在工程材料中子衍射领域有着十余年丰富的研究经验,最为典型的衍射谱仪之一的Engin-X在材料、加工等方向有着广泛应用,包括残余应力分布测量、金属相变分析、微观力学研究等.Engin-X通过设置红外加热型高温炉配套材料试验机的样品环境以实现中子衍射原位高温力学实验,目前原位实验中高温炉最高设计温度可达1100℃.通过优化高温炉反射罩形状、布局、反射涂层,以及合理设置反射挡板等措施(例如采用一种椭圆-圆组合形状的反射罩),可实现更优的光线聚焦效果.模拟计算得知样品的能量吸收可提高109%以上,最终高温可达1400℃.相关研究有望拓展Engin-X中子衍射技术在材料研究领域的应用,同时也为中国散裂中子源(CSNS)工程材料衍射谱仪样品环境设计提供借鉴经验.

基于拓扑/二维量子材料的自旋电子器件

拓扑材料和二维材料等新型量子材料,为自旋电子器件的研究与发展提供了新契机.这些量子材料不但有助于提高电荷-自旋转换效率及提供高质量异质结界面,从而改善器件表现,更由于它们丰富的相互作用和耦合关系,能提供新奇物理现象和新的物性调控机制,在自旋电子器件方面具有潜在的应用价值.拓扑材料和二维材料,尤其是层状拓扑材料、二维磁性材料以及它们组成的异质结的相关研究,取得了丰硕的成果,兼顾了启发性与及时的实用性.本文将综述这些新型量子材料的近期研究成果:首先重点介绍拓扑材料在自旋轨道力矩器件中实现的突破;其次着重总结二维磁性材料的特性及其在自旋电子器件中的应用;最后将进一步讨论由拓扑材料/二维磁性材料组成的全范德瓦耳斯异质结的研究进展.

量子材料中基于空间自相位调制的激光诱导电子相干性

空间自相位调制是一种三阶非线性光学效应,又称光学克尔效应。空间自相位调制的物理机制为激光诱导的非局域电子相干性,是一种集体激发行为,非线性光学响应,演生现象。物质中电子在光场的驱动下以光学频率运动,获得由外场决定的相位,分离区域之间保持固定的由光场决定的相位差,从而演生出非局域电子相干性,其衍射光的平行光分量在远场形成一系列同心嵌套的圆锥形发射,在远场屏上形成干涉环,此即空间自相位调制。基于激光诱导在量子材料中产生电子相干性,可以实现全光开关,具有“以弱光控制强光”的特性,功能类似于光子学中的“三极管”。本文简要综述空间自相位调制的物理机理研究及其在全光开关领域的应用前景,重点梳理空间自相位调制在新阶段的发展以及微观物理机制。

储能用水系钠离子电池电极材料研究进展

在全球能源日益加剧的背景下,开发与利用风能、太阳能、潮汐能等可再生能源成为当务之急。伴随绿色能源的迅猛发展,电化学储能技术中的二次电池,因其在储能领域中具有调节绿色能源电力输出的平稳性和稳定性而备受关注。其中,水系钠离子电池因具有资源丰富、高安全性、高离子电导率及制备工艺简便等优点,正逐渐成为未来储能系统中的重点研究方向。尽管水系钠离子电池的潜在优势显著,但其在实际运用中仍面临着诸多挑战(如循环稳定性不佳、可供选择的电极材料体系比较有限及电池容量较低等),这主要是因电极材料在水溶液中的电化学窗口过窄和化学稳定性不足,限制了电池的使用寿命,从而阻碍了其大规模应用。因此,优化现有电极材料及开发新型材料,成为提升水系钠离子电池性能的关键。简要概述了水系钠离子电池系统的特点,并对其正、负极材料的最新研究进展进行了详细的阐述,如材料的合成方法、结构设计、电化学性能及应用前景。同时,对水系钠离子电池的未来发展方向进行了展望。本研究旨在为新型电极材料的研发及水系钠离子电池技术的加快发展提供理论依据。

硬X射线光电子能谱在半导体材料和器件中的应用

与常规X射线光电子能谱(XPS,能量E<2 keV))相比,硬X射线光电子能谱(HAXPES)由于采用较高能量的X射线(E>2 keV),具有更大的探测深度,已经成为研究复杂材料体系的体性质,以及多层薄膜结构和纳米复合结构界面性质的重要分析工具。简要论述了HAXPES的主要特点及其发展现状,重点介绍其在半导体材料和器件研究中的典型应用,包含亚表面性质、极性判定、异质结能带结构、掺杂原子空间位置信息、器件层中界面态、介质层厚度评估等方面。随着硬X射线光源技术的不断发展,HAXPES的性能将进一步提高,其应用范围也会快速拓展,这将极大地促进功能材料的发展和应用。

基于掺镱棒状光纤的高功率大能量四路相干合成飞秒激光系统

高平均功率(>500 W)、大脉冲能量(>1 mJ)飞秒光纤激光对包括阿秒光学在内的众多科研领域极为重要.受限于增益光纤较小的模场面积,多种非线性效应将从单根增益光纤放大产生的飞秒脉冲的能量限制在百微焦量级.平均功率和脉冲能量的进一步提升需要使用相干合成技术,将多路光纤的输出合成为一束.本文搭建了一套基于填充孔径相干合成的高功率大能量超快光纤激光系统,采用商用掺镱棒状光纤并利用随机并行梯度下降法实现四路放大器之间的相位锁定.在重复频率为1 MHz时,该相干合成系统输出平均功率为753 W,经过光栅对压缩后的平均功率为672 W,脉冲宽度为242 fs,对应的脉冲能量为0.67 mJ,系统具备良好的稳定性.降低重复频率至500 kHz,该系统输出压缩后的脉冲平均功率为534 W,脉冲宽度为247 fs,对应脉冲能量可达1.07 mJ.脉冲的平均功率和能量均可通过增加合成路数进一步提升,通过添加已着手研发的延迟和指向锁定系统,有望通过八路相干合成实现平均功率超过1 kW、脉冲能量超过2 mJ的飞秒脉冲输出.

高稳定性超疏水水泥基材料涂层制备及性能研究

通过改性铜网复刻和SiO_(2)相结合共同作用构建水泥基材料微纳米粗糙表面,并采用十八胺接枝腐殖酸作为低表面能物质修饰该表面制备出高稳定性超疏水水泥基材料涂层。研究了涂层中掺入不同浓度SiO_(2)及改性铜网复刻对其疏水性能的影响,并测定出SiO_(2)掺入最佳浓度。此外,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱仪(FT-IR)等对水泥基材料表面形貌结构及键合情况进行了表征,同时对超疏水水泥基材料的吸水性和涂层稳定性进行综合评估。结果表明,当SiO_(2)浓度为2.5%时,采用浸渍法处理改性铜网复刻过的水泥基材料表面接触角达到峰值158.6°,滚动角低至5.5°;吸水量下降73.5%。此后,经过反复30次胶带剥离表面测试以及刀刮测试涂层仍保持超疏水状态(接触角为150.2°,滚动角为8.2°),证实了该方法处理的涂层表面具有超疏水性以及良好的稳定性。

提高铝合金及铝基复合材料导电性方法的研究进展

铝合金及复合材料因密度低、导电性好,被认为是替代铜导线的首选材料。本文分析了材料内部组织缺陷、固溶元素种类、微观组织结构对铝合金及复合材料导电性能的影响,在此基础上综述了硼化处理、调整Mg/Si比、添加稀土元素、热处理、变形处理等提升铝合金导电性能的方法,以及导电铝基复合材料的固态、液态及选区激光熔化等制备工艺的发展现状。分析了各方法的优缺点和适用条件,并对铝合金线材未来的研究方向进行了总结展望。

基于Herriott型多通结构的块材料展宽与棱栅对色散补偿的啁啾脉冲放大

本文报道了基于块材料展宽与棱栅对压缩的飞秒啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplification,CPA)系统.展宽器采用基于Herriott型多通结构的块材料作为色散元件,压缩器采用透射光栅与色散棱镜组合的棱栅对,由于它可以同时提供负的二阶和三阶色散,通过优化光栅刻线与棱镜顶角,可以实现对放大器中材料的三阶色散完全补偿,获得更窄的压缩脉冲.实验中,将展宽后的脉冲注入到环形再生腔中进行放大,放大后的脉冲由棱栅对压缩到39.6 fs,非常接近傅里叶变换极限的35.2 fs.由于采用块材料展宽器和棱栅对压缩器,整个放大系统非常紧凑,可作为后续放大以及超快现象研究的可靠光源.

基元构筑的功能材料皮米尺度结构

功能材料的结构设计与性能调控是材料科学与凝聚态物理领域的前沿热点问题,功能基元的人工序构成为近年来提升材料功能特性、探索新奇物理现象的新范式.准确理解功能基元构筑的新材料宏观物性的起源要求精确地表征功能基元的结构、形态和分布,明晰功能基元之间耦合效应.具有皮米测量精度的像差校正透射电子显微镜是解析低对称性材料和复杂化学体系材料原子结构、化学组成和电子组态的重要工具,为实现高精度、多维度表征功能基元及其空间的构筑方式、建立构-效关系提供了新途径.本文通过选取不同尺度下的代表性功能基元,论述了皮米尺度下功能基元的本征特性与空间排布,及其与宏观物性之间的关联,突出了像差校正透射电子显微学的突破和发展,为理解基元构筑的功能材料功能性起源提供了坚实的基础.

连续模式相干测风激光雷达性能优化分析及实验研究

基于风场探测的需求,采用1 550 nm波长连续激光种子源搭建了一套全光纤结构多普勒相干测风雷达系统。从雷达方程出发,对连续激光相干雷达载噪比方程和不同雷达收发望远镜聚焦位置下风速合成权重进行了分析。针对测风雷达要求设计了5~200 m的变焦激光收发望远镜模块。扩束系统采用伽利略折射式结构,发射光束准直下扩束比为23,光学质量接近衍射极限。标定测试通过对旋转电机圆盘转速测量完成。转盘转速范围为-3 000 r/min到+3 000 r/min,转盘直径为26 cm。在视向速度多普勒频移分别为正向和负向时,雷达系统速度测量结果与通过圆盘转速计算值的相关系数为0.998与0.993,标准差为0.151 m/s和0.229 m/s。使用该测风激光雷达开展室外大气风速探测实验,取得了良好效果。

原子尺度构建二维材料的第一性原理计算研究

随着信息技术的不断进步,核心元器件朝着运行速度更快、能耗更低、尺寸更小的方向快速发展.尺寸不断减小导致的量子尺寸效应使得材料和器件呈现出许多与传统三维体系不同的新奇物性.从原子结构出发,预测低维材料物性、精准合成、表征、调控并制造性能良好的电子器件,对未来电子器件的发展及相关应用具有至关重要的意义.理论计算能在保持原子级准确度的情况下高效、低耗地预测材料结构、物性、界面效应等,是原子制造技术中不可或缺的重要研究手段.本综述从第一性原理计算角度出发,回顾了近年来其在二维材料结构探索、物性研究和异质结构造等方面的应用及取得的重要进展,并展望了在原子尺度制造背景下二维材料的发展前景.

双锥对撞点火机制2020年冬季实验中的瑞利-泰勒不稳定性分析

直接驱动激光聚变通过整形后的纳秒脉冲激光辐照氘氚(DT)球壳靶,经球对称压缩加速后,在中心转滞获得高温等离子体热斑,实现聚变点火.在球壳靶受到压缩和加速过程中等离子体界面的流体力学不稳定性,特别是瑞利-泰勒不稳定性的增长有可能会对压缩壳层造成破坏,导致点火的失败.本文通过理论解析和数值模拟,对基于Zhang等提出的双锥对撞点火方案(2020 Philos.Trans.A Math.Phys.Eng.Sci.37820200015)在2020年冬季实验条件下的流体力学不稳定性增长进行了分析.结果显示理论模型与一维数值模拟中对整体压缩和加速过程的描述基本一致,在当前的近等熵波形下金锥中的壳层靶实现了低熵压缩,同时瑞利-泰勒不稳定性增长导致的最危险时刻扰动振幅和壳层厚度比可以达到约0.25,壳层依然处于安全状态,但当初始壳层表面扰动均方根振幅大于22 nm时,则可能出现壳层的破裂.因此,未来实验中的靶设计与驱动激光脉冲波形设计中可以通过增加靶壳层厚度、提高预脉冲强度、减小靶表面的粗糙度和提高激光辐照的匀滑度等方式来抑制不稳定性增长.

氧化硼修饰的钴酸锂材料及其电化学性能

钴酸锂材料由于具有高的能量密度、优异的倍率性能和热稳定性被广泛应用于各种消费类电子产品,随着人工智能和5G时代的到来,人们对钴酸锂电池的能量密度有了更高的需求。本研究通过利用简单的固相法对钴酸锂进行硼化物包覆,经过改性后的钴酸锂材料(BLCO)相比于未改性的原始材料(LCO)电阻率下降一个数量级,该材料组装成的电池在常温下3~4.55 V的初始容量达到201.2 mAh/g,高于原始钴酸锂材料的192.64 mAh/g,循环500周后容量为194.8 mAh/g,高于原始材料的184.37 mAh/g。这种提升是由于硼化物改性后的钴酸锂材料具有更高的电子电导率和更小的界面阻抗,本工作提供了一种提升高电压钴酸锂材料容量的方法并对高电压下钴酸锂材料的失效机制进行了初步分析,对未来高容量钴酸锂材料的设计具有较大参考意义。

飞秒超强激光驱动太赫兹辐射特性的实验研究

强太赫兹源是太赫兹科学技术发展的关键,其中大能量强场太赫兹脉冲源在超快物态调控、新型电子加速器等领域具有重要的应用前景.超快超强激光与等离子体相互作用是近年来发展起来的一种新型的强场太赫兹辐射产生途径.本文报道了利用超强飞秒激光脉冲与金属薄膜靶作用产生太赫兹辐射的实验结果,研究了激光能量和离焦量对靶后太赫兹辐射能量的影响,并通过监测激光背向散射光谱,定性揭示了其变化规律与不同光强下的电子加热机制的相关性.实验表征了太赫兹辐射的频谱、偏振及聚焦光斑情况.测量结果表明,实验产生了脉冲能量达458μJ、聚焦场强高达GV/m量级的超宽带太赫兹辐射,为开展极端太赫兹脉冲与物质相互作用研究提供了一种新的强场太赫兹光源.