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 研究方向

    学院在以石墨烯及稀土硫族化合物为代表的二维材料、氮化镓基紫外材料及探测、绿色能源材料及绿色微电子技术、功能薄膜材料与器件、新型陶瓷材料、纳米材料与器件等方向开展了系统、深入的研究工作,形成了材料设计制备、器件工艺开发以及电子、能源和生物等应用研究的完整体系。

    1. 二维新材料的研究
    2. 绿色能源材料与绿色微电子技术
    3. 紫外材料与紫外探测
    4. 功能薄膜材料与器件
    5. 陶瓷材料
    6. 纳米材料与器件
 
    1. 二维新材料的研究
    摩尔定律极限引发二维材料石墨烯的研究热潮,石墨烯的发现者也因此获得了2010年的诺尔贝物理奖。石墨烯作为透射电子显微镜的TEM grids替代传统的铜网,已经得到商用。石墨烯其作为透明导电电极,替代传统的ITO,正在商业化过程中。另外,石墨烯在半导体光电子器件、传感器、DNA测序、印刷电子学等领域都有潜在应用。石墨烯研究目前存在的问题是石墨烯没有带隙,从而其制作的晶体管开关比低于102,不适合数字电路应用。主要的解决思路可以将石墨烯制作成石墨烯纳米带,不过由于电子-声子散射导致石墨烯迁移率降低,10 nm 宽石墨烯纳米带迁移率降低为 200 cm2/Vs。 因此当前的研究热点是寻找具有带隙的新型二维半导体材料。二维稀土硫族化合物MX2(M代表过渡族金属,X代表硫族元素S、Se 、Te)是目前受到最多专注的研究体系。MX2的可能会克服目前的短沟道效应,且具有高击穿场强,使其在功率器件中具有潜在应用。同时,单层的MX2是直接能隙半导体,具有良好的发光和探测性能,也将在光电子器件、能谷电子学、传感器等领域有重要应用。
 
    2. 绿色能源材料与绿色微电子技术
    当今社会是一个高能耗、污染严重的工业社会。传统化石能源不仅是不可再生资源,而且会引起环境污染和温室效应等生态环境问题。发展绿色无污染的可再生能源技术是人们的共同愿景。我们基于环境友好的无机材料和有机材料,研制高效率的能源产生、转化和存贮器件与技术,比如量子点太阳能电池、燃料敏化太阳能电池、新型有机钙钛矿太阳能电池、超级电容器、锂离子电池等,力求缓解日趋紧张的能源危机和满足不同情景下日益增长的能源需求。微电子技术为人类文明的发展做出了巨大贡献,然而制造过程的高能耗、高污染,以及堆积如山的电子垃圾已经危及到人类的生存环境。我们希望利用新材料发展出环境友好的微电子器件和芯片,使发达的电子科技和优美的自然环境和谐共存。比如,我们利用可降解材料研制的可溶解电子器件和芯片,能够在完成功能后自动溶解成对环境无害的材料。绿色能源和绿色微电子技术研究方向的主旨是寻找环境友好的绿色能源和微电子材料与技术,让科技与绿色共存。
 
    3. 紫外材料与紫外探测
    紫外光源发光波长在 400nm以下,已经广泛应用于集成电路光刻机、印刷电路板制版、机械加工荧光探伤、化学工业中的光合成、快速制造业中的光固化、农业中的养殖业、国家安全领域的安检鉴别等关键领域。传统紫外光源体积庞大,功耗高,效率低,相比之下基于半导体技术的紫外LED光源理论上具有高效节能的特点。然而高效率半导体紫外光源的获得面临极大的挑战。2014年的诺贝尔物理学奖授予研究氮化镓的三位日本科学家,以表彰他们在发明蓝光LED的艰难过程中做出的杰出贡献。紫外LED的研制同样困难重重。氮化物材料是发光效率较高的宽禁带半导体材料。我们通过先进的缺陷控制技术、能带工程等手段制备具有优良特性的紫外光电氮化物材料,进而研制高效率的紫外LED和紫外探测器。 紫外光电材料与器件的研发有望推动集成电路、机械加工、生物技术、国防安全等领域的快速发展。
 
    4. 功能薄膜材料与器件
    薄膜材料是很多微电子和光电子器件的基础材料,也被广泛用于能源、生物、化学等领域。我们致力于研发具有优异力学、热学、光学、电学、磁学特性和化学性能的功能薄膜材料。基于此类材料,研制新型微电子器件、光电子器件、自旋电子器件和光学器件。为了实现未来单芯片系统集成和多芯片集成封装,希望发展出基于薄膜材料的多功能传感器、下一代通用存储器、光声电输出器件、微机电执行器等信息功能器件。薄膜材料基新型大容量、高效率能源技术也是我们关注的重点,基于半导体材料的薄膜太阳能电池,基于离子导体薄膜的锂离子电池、燃料电池,基于新型纳米薄膜的超级电容器等可再生能源获取、转化技术有望缓解人类社会面临的能源危机,是我们的重要研究方向。随着生命科学的快速发展,人们对于生物监测(包括对生物体中的分子、组织、电磁信号等对象的监测)、疾病诊断、人机互联、生理活动干预、人造组织、仿生神经网络、生物芯片等方向的兴趣日趋浓厚。基于生物兼容材料研制能够实现这些功能的器件和芯片是我们的重要目标。另外很多薄膜材料具有优异的光催化、电化学性能,可用于污染净化、氢能源获取等领域。薄膜材料是自上而下(top-down)工艺的基础,易于使用刻蚀工艺制备成各种电子、能源、生物、化学器件和芯片,将在在未来的高新科技中占据重要地位。
 
    5. 陶瓷材料
    传统陶瓷材料具有高硬度、高熔点、高耐蚀性等特点,是重要的结构材料,在机械制造和特殊涂层等方面具有广泛的应用。比如航天飞机的隔热瓦和汽车、航空发动机都使用了隔热陶瓷。近年来广受瞩目的先进陶瓷材料因其独特的声学、光学、电学、磁学性能,辅以优良的力学性能,在通讯、电子、医疗、生物、航空、航天、军事等领域得到越来越多的应用。比如集成电路中的电容器、换能器、人造骨骼、吸波涂层等都是用陶瓷材料制作的。我们基于工艺-结构-性能的基本关系,通过纳米化、材料复合等手段调制材料结构和组分,研制性能优异的先进陶瓷材料。我们的目标是从现代材料学观点重新审视陶瓷材料,挖掘其力学和热学特性以外的新特点,使陶瓷材料在更多的领域得到应用。
 
    6. 纳米材料与器件
    1959年,著名物理学家费曼做了题为“There is plenty of room at the bottom.”的演讲,提出人们可以制造纳米器件,实现操纵原子的梦想,这成为纳米科技的开端。纳米科学致力于操纵原子制造最小的机器,进而实现卓越的信息、生物功能等。我们的目标是研究材料在纳米尺度表现出来的独特效应和规律,诸如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等,开发新型纳米材料,基于这些材料制备纳米器件。1991年被发现的碳纳米管并成为机械强度最高的材料,可能被用于微纳纤维、超微导线、开关和纳米电子线路等领域。利用氧化锌纳米线,人们制备出纳米电源,为解决纳米器件的能源供应问题带来了曙光。此外,纳米天平、纳米光源、纳米天线等多种纳米器件也被研制出来。开发新型纳米材料是研制多功能纳米器件的基础,也是在纳米尺度重新认识物理化学规律的重要途径。此外纳米材料的自组装行为是未来自下而上(bottom-up)工艺的基础,可能延续电子器件尺寸微缩的趋势,也是我们关注的重点。比如纳米材料自组装而成的超晶体表现出独特的能带结构和光学性质,可用于新型电子和光学器件的研制。总之我们致力于纳米尺度新的物理化学规律的研究、新型纳米材料的研发、纳米材料自组装行为和纳米器件的研制,迎接即将到来的纳米时代。