《原位电镜纳米表征方法及其材料科学应用》

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纳米材料呈现出与块体材料截然不同的性质。常规的测量方法和仪器技术通常获得的是宏量样品的平均效应,往往掩盖了单个纳米结构和局域微区的本征结构及其特性。因此,发展高分辨纳米表征方法和测量技术是纳米科学和材料研究的基本任务和最具挑战性研究方向之一。在过去十多年里,中科院物理所白雪冬团队通过发展原位透射电镜纳米表征方法,研发仪器技术,实现了在原子尺度原位观测材料结构及其性质,获得了纳米研究和材料科学的一些基本规律和认识。该项目在方法上的创新性和科学发现及其价值概括如下:

一、发展原位透射电镜纳米表征方法,解决了常规方法和仪器难以测量纳米尺度材料和材料微区的一些难題。

提出了原位电镜材料微区光谱、纳电子器件电输运性质和线形纳米材料力学模量的测量方法;研制了透射电子显微镜-扫描探针联合装置,集纳米操纵、性质测量和结构表征于一体,实现了原位测量单个纳米结构/微区光、电、力等综合性质,实时成像动态物理和化学过程,在原子尺度表征结构与物性的关系,首次实现了原位透射电镜纳米光学、电子学、光电力耦合性质测量功能。发明的纳米材料性质和基本参数测量方法以及相关仪器技术被国内外同行采用。

二、应用原位透射电镜方法,在原子尺度观测表征固态离子输运特性;测得一些纳米材料的本征性质。

1、原位实时成像固态离子输运与界面反应动力学过程

在原子尺度揭示了几类典型固态电化学体系离子输运、界面反应和材料结构相变的动力学特性。1)原位观测过渡金属硫族化合物层状材料的碱金属离子插层动力学过程,揭示了离子嵌入诱导结构相变的原子机制:2)直接观测到二氧化铈在电场驱动下氧空位序的形成、迁移和修复动力学过程,提出了电场辅助降低二氧化铈催化剂工作温度的新方法。3)实时观测介质中银离子传输和银纳米团簇电化学传质过程,获得了阳离子型忆阻器的一种物理机制。

2、解决了纳米操纵和纳米测量的一些难题,测得一些纳米材料的本征物性。首次实现单根纳米管场电子发射和原位结构与发射端表面功函数测量;首次定量表征碳纳米管电输运性质和手性指数的对应关系;实现了单根氧化锌纳米线的操纵与性质测量,发现纳米线显著的光、电、力多场耦合与性质调控特性。

该项目已授权10项发明专利,8篇代表性论文被SCI他引511次。研究成果多次被Phys org等学术网站作为亮点工作报道。项目的表征方法及其科研应用成果产生国际影响,完成人白雪冬连续受邀在美国MRS秋季材料会议(2012、2014、2017年)、美国真空大会(2014年)等国际会议上做邀请报告。白雪冬2007年获得基金委杰青、2015年获得中国物理学会胡刚复奖、2016年入选国家万人计划领军人才:项目完成人王文龙2013年获得基金委优青。项目已培养4名博士后和14名博士毕业生。白雪冬主持的国家973项目“基于扫描探针技术的纳米表征新方法研究(2012CB933000)”已通过结题验收,评估结果为优秀。

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