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新型功能材料

研究内容


探索新型功能材料,结合机械振动能量吸收谱(内耗谱)及其它测试技术,揭示新型功能材料的微观结构与宏观物理性能之间关系。


代表性成果

2008年度,我们在高阻尼材料、超导材料、自旋电子材料、多铁材料、吸波材料等功能材料研究中,取得了系列研究进展。


一、在拉杆缓冲材料研究取得新进展


我们通过合金成分及热处理工艺的优化研究,拉杆缓冲材料的力学性能更为稳定,顺利通过了委托单位的验收,为相关结构的设计和定型做出了重要贡献,成为该材料的唯一研究和供样单位。由图16a可以看出,所测试的4根试样准静态拉伸应力应变曲线基本重合,一致性非常好。图16b表明,材料在高速冲击条件下(应变率1500s-1)显示出非常平坦的应力平台,具有极高的吸能效率。该项工作已经申请了发明专利:高强塑积合金钢及其热处理工艺(200810156785.6)。

二、在超导材料研究方面

2008年度,我们主要集中在新超导材料探索方面。取得如下研究进展。

1、二硫属化合物2H-TaS2中Cu插入超导电性的发现

采用化学气相输运的方法成功地生长出Cu插入的2H-CuxTaS2单晶(图17a),详细研究了Cu插入对TaS2体系电荷密度波(CDW)序和超导(SC)序的影响,发现少量Cu插入可以显著降低2H-TaS2CDW序温度TCDW,同时使得体系的SC序温度TSC显著提高,其中3%Cu插入使得体系TCDW由插入前的78K降为插入后的50K,TSC由插入前的0.8K提高为插入后的4.2K(图17b),该现象为我们在国际上首次观察。相关结果发表在Journal of Crystal Growth, 311 (2008) 218。2H-CuxTaS2超导单晶,已经提供给中国科学院物理研究所开展角分辨光电子谱(ARPES)的合作研究。


2、Se缺位的?-FeSe1-?超导单晶的成功生长

采用助熔法在国际上率先成功地生长出Se缺位的?-FeSe1-?超导单晶(图18a),其中超导转变温度Tc~8K(图18b)。相关结果已被Superconductor Science and Technology接受发表。生长的单晶已经提供给美国MIT的Eric Hudson教授和复旦大学封东来教授分别开展STM和角分辨光电子谱的合作研究。

三、在自旋电子材料研究方面

2008年度,关于自旋电子材料研究主要集中在层状钴基氧化物的物性、有序双钙钛矿结构La2NiMnO6的临界行为、尖晶石结构硫化物的制备及轨道序以及锰基氧化物异质结的光诱导效应研究方面。

1、层状钴基氧化物Sr1.5Pr0.5CoO4相分离现象研究

我们在层状钴基氧化物Sr1.5Pr0.5CoO4中观察到相分离现象,并给出相分离的实验证据。通过直流磁化强度测量,发现在居里温度TC=230K以下零场冷(ZFC)和场冷(FC)磁化强度曲线出现了明显的分离而表现为类似自旋玻璃(Spin Glass,SG)行为,其冻结温度Tf为127K。为了证实玻璃态行为,我们进行了详细的交流磁化率测量(图19),发现在驱动场一定的条件下,伴随着频率的增加,Tf的峰值被抑制且峰位向高温移动,通过计算表明该体系是以SG态存在而非以团簇玻璃(Cluster Glass,CG)态存在的。此外,在固定驱动场和频率的条件下,通过改变不同的静态场,发现交流磁化率出现了两个峰(即Tf1和Tf2峰),其中Tf1对应Tf ,且随着外加场的增加,Tf1峰向低温移动并且逐渐消失,而新出现的Tf2峰向高温移动并变得明显,当外场达到4T时,Tf2对应TC。这就表明Sr1.5Pr0.5CoO4体系存在着典型的相分离,即自旋玻璃和铁磁(FM)团簇共存。可以判断出该层状钴基氧化物体系存在三个区域:SG区、FM团簇区和非FM团簇区。该工作发表在Applied Physics Letters, 92 (2008) 162508上。

2、层状钴基氧化物Sr1.5Pr0.5CoO4交换偏置现象的观察

我们在Pr掺杂层状Co基氧化物Sr1.5Pr0.5CoO4中率先观察到交换偏置现象(图20),我们发现交换偏置强烈依赖于外加冷却场和测量磁场,此外还观察到应变效应,且很好地被自旋构型弛豫模型描述。这些结果都表明在铁磁区和相邻的自旋玻璃区的界面处会产生交换耦合作用。相关结果在Journal of Applied Physics, 104 (2008) 023914上发表。

3、有序双钙钛矿结构La2NiMnO6的临界行为研究

La2NiMnO6为铁磁半导体材料,其居里温度为280K,在居里温度附近其介电参数随磁场有明显的变化,即有磁致电容效应,该体系中强的自旋-声子耦合对其磁性有着重要的影响。我们详细研究了其临界行为。从得到的临界指数可知,该体系不符合长程相互作用的平均场模型,而与存在短程相互作用的三维Heisenberg 模型相一致(图21)。我们认为这主要与该体系中强的自旋-声子耦合作用有关。相关结果在Journal of Physics: Condensed Matter, 20 (2008) 465211上发表。


4、La0.67Sr0.33MnO3-δ/SiO2/Si异质结异常反向输运行为的观察

详细研究了La0.67Sr0.33MnO3-δ和Pr0.7Ca0.3MnO3-δ与SiO2/Si组成异质结的电磁输运特性(图22)。在La0.67Sr0.33MnO3-δ的金属-绝缘体转变温度TMI以上,La0.67Sr0.33MnO3-δ/SiO2/Si异质结表现为正常的正向输运,而在TMI以下的温区范围内表现为异常的反向输运行为(backward diode-like behavior)。这一反常行为在没有金属-绝缘体转变的Pr0.7Ca0.3MnO3-δ/SiO2/Si异质结中没有观察到。该现象被解释为在TMI前后,La0.67Sr0.33MnO3-δ电子能带结构的变化导致了其异质结输运行为的变化。我们发现该类异质结在低偏置电压下由空间电荷限制电流输运主导,而只在高偏置电压下才表现出隧穿输运。这一结果揭示了金属-绝缘体转变在锰氧化物异质结中的关键作用。相关结果发表在Journal of Physics D: Applied Physics, 41 (2008) 135008上,审稿人认为我们的工作是有趣的,而且对于新材料物理和器件研究都是很有意义的。

图22 LSMO/SiO2/Si(a)和PCMO/SiO2/Si(b)p-i-n结的I-V特性曲线。Journal of Physics D: Applied Physics, 41 (2008) 135008。

四、金属晶界内耗机制研究

成功生长了铜、铝双晶,实现取向的调控;研究纯铝双晶中不同取向差的倾侧晶界和扭转晶界的内耗。发现倾侧晶界和扭转晶界的内耗有明显差别,扭转晶界的内耗峰温和表观激活能都高于,而弛豫时间指数前因子都低于倾侧晶界的相应值。用耦合模型对内耗数据进行了分析和解释。还发现当倾侧晶界和扭转晶界的取向差接近60度(即接近Sigma3晶界)时内耗峰不出现,说明Sigma3晶界的特殊性质。

五、氧离子导体La2Mo2O9基薄膜的研究

我们在光滑的单晶Si衬底和粗糙的多晶Al2O3衬底上成功地采用溶胶凝胶法制备出了钼酸镧基薄膜,厚度为1?m左右、晶粒尺寸为90nm~400nm可控。薄膜在600?C就能完全致密化,比块体材料的致密化温度降低了400?C(见图23)。在多晶氧化铝衬底上制备的钼酸镧薄膜,其电导率比块材提高近一个数量级,而且晶粒尺寸越小电导率越大,其中90nm薄膜在600?C的电导率高达0.074S/cm(见图24)。相关工作发表在Journal of Sol-Gel Science and Technology, 48 (2008) 315上。


六、超薄固体电解质管的成功制备

高性能??-Al2O3固体电解质不仅可用于钠离子探测元件,而且是高温钠离子二次电池的核心部件。高精度、高质量、大尺寸、一端封闭的薄壁??-Al2O3陶瓷管的制备技术是该材料实际应用面临的关键问题。经过近一年的探索,我们成功地掌握了粉体造粒、坯管成型和加工技术,并通过Na2O气氛控制及防变形技术,对一端封闭、大尺寸、薄壁?"-氧化铝电解质管的烧结技术进行了探索。目前已制备出了?"-氧化铝陶瓷固体电解质管(图25)。其参数为:管体平均密度约3.20g/cm3,350?C时导电率为0.13-0.2S/cm,管长220mm,内径38mm,壁厚1.8mm,对应容量为140Ah。达到了预期目标。

 

 

 

 


 
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