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.

新型功能化合物的晶体结构和电子能量损失谱研究

本文深入研究了六方层状结构钴氧化物中的层间阳离子排列,电荷/轨道序和金属超导体NbB2中的电子能量损失谱,阐述了现代透射电子显微镜(TEM)技术和电子能量损失谱在功能化合物研究领域的应用。基于MxCoO2(M=Na,Sr或Ca)化合物的TEM结构分析,总结给出了反映这种层状结构化合物中阳离子含量和结构特性关联的相图。以Na0.5CoO2材料作为研究主体,系统分析了材料结构随温度的变化,并对Na离子有序和结构相变进行了深入探讨。在100K到20K温度区间观测到了两个超结构相,其基本特性可以用电荷/轨道有序模型很好地解释。NbB2是典型的层状超导体,电子能量损失谱表现出很强的各向异性。结合第一性原理计算对其电子结构和电子能量损失谱的特性进行了仔细分析,获得了费米能级附近B的2p轨道未占据态信息。在这些实验和理论结果的基础上,系统分析了六方层状钴氧化物中结构相变和物理性能的关联,并对NbB2和MgB2超导材料电子结构区别进行了讨论。

全固态电池中界面的结构演化和物质输运

全固态电池中科学问题的本质在于引入的固态电解质的特性及全新的固-固界面的存在.从构-效关系出发,固-固界面和电解质自身的结构演化与物质输运过程决定了全固态电池的性能.随着固态电解质材料研究的不断丰富,目前全固态电池中的问题主要集中在固-固界面,界面处的组成和结构限制了全固态电池的性能.根据固-固界面接触的情况不同,本文按照固-固界面物理接触、化学接触和表面改性处理这三个层次总结与讨论全固态电池中固-固界面处的结构及其物质输运.最后从功能材料功能性起源角度讨论局域对称性与宏观复杂体系下材料性能的关联.

高温超导电性研究及应用

简要叙述了超导电性基本概念和发展历程,介绍了近期Fe-基超导体及相关材料的结构与物性研究的进展,着重讨论了新型122体系Fe-基超导体的物理性能和微观结构特征。最后对当前超导体在电力能源、交通和通信领域的应用进行了简单论述。超导电性的研究已经有一百多年的历史,至今仍然是科学界的热点研究领域。可以预期,超导材料和器件将对未来社会文明和科学技术的发展产生较大的影响。

锂离子电池原位透射电镜方法的综合比较

锂离子电池(LIB)技术已成为目前最重要、最有前途的储能技术之一,广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等领域。然而,随着人们对能源的需求愈发强烈,发展下一代更高能量密度和更长循环寿命的锂离子电池刻不容缓,这就需要更加深入地理解锂离子电池在循环过程中内部结构的演化。作为一种能够对精细结构进行多方面表征的工具,原位透射电子显微镜(in situ TEM)拥有原子尺度的高空间分辨率,同时可以施加外电场实现实时观测和分析充放电过程中电极材料的微观结构演化和相变机制。因此,该原位技术在锂离子电池研究方向得到了广泛的关注和快速发展。其中两种主要的研究体系,开放池(open cell)与液体池(liquid cell)均为研究的热点却一直以来缺少详细的对比总结。鉴于此,本文详细介绍了原位透射电子显微镜开放池(open cell)与液体池(liquid cell)的内部结构,并将其在锂离子电池正极、负极和SEI形成与锂枝晶生长等领域的相关研究举例进行综合分析与对比,最后详细总结二者各自的适用范围与局限性,以期对未来两种原位透射电镜技术的应用提供指导。

单层FeSe薄膜/氧化物界面高温超导

单层FeSe/SrTiO_3界面增强超导的发现为理解高温超导机理提供了一个新的途径,也为实现新的高温超导体开拓了新思路.本文通过在SrTiO_3(001)表面高温沉积Mg进而沉积单层FeSe薄膜,制备出了FeSe/MgO双层/SrTiO_3异质结.利用扫描隧道显微镜研究了异质结的电学及超导特性,观测到约14-15 meV的超导能隙,比体相FeSe超导能隙值增大了5—6倍,与K掺杂双层FeSe/SrTiO_3的超导能隙值相当.这一结果可理解为能带弯曲造成的界面电荷转移和界面处电声耦合共同作用导致的超导增强.FeSe/MgO界面是继FeSe/TiO_2之后的一个新界面超导体系,为研究界面高温超导机理提供了新载体.

皮米尺度电子显微学对功能材料功能性起源的探索

功能材料功能性起源于场和局域对称性.物质科学中局域对称性由晶格、电荷、轨道和自旋4个自由度来描述.认识和利用对称性破缺下原子最近邻、次近邻结构扭曲所带来的丰富物性,要求我们在皮米尺度掌握物质的精细结构.本文将晶格自由度分为多面体的膨胀收缩、多面体的弯曲旋转和阳离子偏离平衡位置这3种情况,评述了皮米尺度电子显微方法对功能材料功能性起源的探索.在电子结构层次对皮米尺度晶格结构下的电荷结构进行了评述,并对轨道和自旋结构的电子显微学研究进行了展望.

X射线粉晶衍射在新功能材料探索中的一些应用

1912年发现的晶体X射线衍射现象标志着现代晶体学的诞生,对近代物理学乃至整个科学领域的发展都产生了极为深刻的影响。X射线粉晶衍射将结构分析拓展到多晶材料,成为物理学、化学和材料科学重要的研究手段。文章结合作者在硼酸盐及铁基超导体研究领域的典型工作,介绍了X射线粉晶衍射在新型功能材料探索中的一些应用。随着新方法和新技术的不断出现和完善,相信未来X射线粉晶衍射在新材料探索和其他应用领域将起到越来越重要的作用。

先生之风 山高水长——记梁敬魁主要科技成就

梁敬魁,中国科学院物理研究所、北京凝聚态物理国家研究中心研究员,凝聚态物理专业和物理化学专业博士生指导教师、中国科学院资深院士。1955年7月毕业于厦门大学化学物理系物理化学专业。1960年2月在莫斯科苏联科学院巴依科夫冶金研究所金属合金热化学和晶体化学专业研究生毕业,获苏联科学院技术科学副博士学位(相当于欧美的Ph. D)。1984—1987年曾任中科院福建物质结构研究所所长。