文档介绍：项目名称:
氧化物复合量子功能材料中的多参量过程及效应
首席科学家:
陆亚林中国科学技术大学
起止年限:

依托部门:
中国科学院
一、关键科学问题及研究内容
1、研究内容
针对以上4个方面的关键科学问题,本项目拟开展的主要研究内容包括:
(1)新型氧化物复合量子材料体系研究。新型氧化物复合量子功能材料的设计、制备和表征:加强对具有不同有序相复合、层状超结构过渡金属氧化物新材料的探索,设计其组成和结构,利用晶胞原子层间嵌入方法合成新材料,利用外延生长研制单晶薄膜,研究其结构、对不同外场的响应、所包含的新奇物理效应等;新型复合过渡金属氧化物超材料研究:研究复合超材料中的电荷、自旋及点阵作用的新机制,研究其对外电场和外磁场的响应及可调控性,探索大介电可调性、负指数特性等;研究不同形状和不同维度下包括周期渐变超晶格、超薄、阵列等新型复合量子功能材料;新型复合大热电势热电材料研究:利用自旋自由度研究自旋熵对热电势的贡献,同时考虑电荷和轨道自由度所能带来的新机制,通过调控自旋熵来发展大热电势热电材料;复合体系的量子现象和量子调控的研究:利用结构界面效应和结构阻挫调控其物理行为和量子效应,探索具有新奇物理现象的新型层状材料,从而使新材料推动新物理和新效应;模拟和计算:结合理论模型与第一性原理计算,研究这类材料中的金属绝缘体相变、界面效应、多铁性、畴界热功率建立、非线性光学、电光、磁光等复杂物理效应。
(2)结构与性能调控。结构调控:通过物理制备与化学合成手段,研究结构、维度、有序度、尺寸、掺杂等对复合量子功能材料的结构和有序相控制;对复合量子功能材料的电畴和磁畴实施有序结构控制;改变周期等结构序参量,利用现代先进微纳制备技术对超结构材料实施结构调控。电荷、自旋和点阵耦合调控:通过结构调控、异相复合和外场调控等手段,实现对复合量子功能材料体系中量子效应的调控,包括介电、磁电、自旋熵、非线性光学、磁光、电光等效应。对外场响应的调控:研究复合量子功能材料对不同频谱波长的响应,以及实现宽谱内不同频谱之间的信息转换;实现对不同外场的响应及信息转换;利用对复合量子功能材料进行稀土掺杂,再利用表面等离激元共振激发和光激发等手段实现超材料中的增益。
(3)基于复合量子功能材料的应用原理及原型器件。针对未来量子信息处理技术中的几个关键功能如信息存储和调控,探索几个关键的应用原理及原型器件研制。探索复杂氧化物复合量子功能材料结构特征、电、磁性质以及对其耦合行为的影响,发展与磁电特性相关的多态存储原理器件并研究相关物理效应;发展不同尺度和维度下光学复合超材料中的多重机制的耦合效应,研究纳米结构表面等离激元效应的光子-量子系统以及复杂光子晶体材料的光子-量子系统量子调控,发展相关的光电子原型器件。
(4)物性和结构高灵敏、高分辨检测的新原理、新方法。有选择地在几个关键量子功能材料测试和分析技术领域取得突破性进展。例如发展低能区角分辨光电子能谱测试技术,利用该技术研究复合量子功能材料的电子能级结构,深刻理解复合量子功能材料中的电荷、轨道和自旋自由度复杂的相互作用,争取在这个领域进入国际先进行列;针对复合量子功能新材料在实际应用中应该满足宽谱应用要求的特点,发展目前国际上还没有的可变温度和可变磁场下的近场长波太赫兹显微扫描技术,研究不同维度和不同尺度下的材料物性以及不同频谱之间的量子信息转换。后者可以开辟量子信息处理的新途径。
2、关键科学问题
发展量子信息处理技术以及实施有效的量子调控,对涉及到(1)针对新材料新机制的发现和利用;(2)信息存储及调制;(3)先进的测试与分析等几个关键问题的深刻理解是必不可少的。本项目拟在过渡金属氧化物复合量子功能材料体系内发展新型量子功能材料、揭示新效应、研究调控规律、加强发展先进测量技术及应用、并进而实现特定的光、电、磁、热、声等多功能集成器件及开发其应用。本项目拟重点解决的关键科学问题如下:
新型过渡金属氧化物复合量子功能材料的设计、制备及新奇物理效应探索;
复合量子功能材料中的热电效应、界面、新型结构等;
原型器件的设计、制备及表征:多态存储、等离激元复合光电元器件;
先进的测试技术:低能区角分辨光电子能谱、长波长近场扫描显微技术。
二、预期目标
1、总体目标
(1)(a)、认识和掌握新型过渡金属氧化物复合超结构量子功能材料的结构构筑规律、理解晶胞层间不同有序相的复合过程和耦合机制、掌握实现量子功能的调控方法、建立起先进材料合成技术以及单晶薄膜等不同维度下的新材料生长制备技术;(b)、深刻认识和调控新型复合超结构量子功能材料体系的结构、电子、自旋等耦合过程;(c)、理解新奇物理过程,包括复合量子功能材料中可能的大介电可调性、负指数特性、大热电势热电性、界