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碳基无金属纳米材料用于电催化合成小分子化学品

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新型炭材料（中英文） 2024年第1期39卷 42-63页

作者：石磊李彦哲尹华杰赵慎龙国家纳米科学中心中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室北京100190 中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所中国科学院材料物理重点实验室安徽合肥230031

电催化是各种以化学品形式储存可再生电力能源技术的核心。目前,贵金属基催化剂广泛应用于提高电催化转化效率。然而,成本高、稳定性差等缺点严重阻碍了其在电合成和可持续能源器件中的大规模应用。碳基无金属催化剂(CMFCs)在提高催化... 详细信息

电催化是各种以化学品形式储存可再生电力能源技术的核心。目前,贵金属基催化剂广泛应用于提高电催化转化效率。然而,成本高、稳定性差等缺点严重阻碍了其在电合成和可持续能源器件中的大规模应用。碳基无金属催化剂(CMFCs)在提高催化性能方面展现出巨大潜力,且受到越来越多的关注。本文概述了用于电催化合成的CMFCs的最新研究进展,并讨论了其催化机理和设计策略。此外,简要总结了电催化合成过氧化氢、氨、氯以及各种碳基和氮基化合物的研究现状,并重点阐述了CMFCs目前面临的挑战和未来前景。

关键词：电合成电催化碳基纳米材料无金属电催化剂小分子化学品

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铁基超导体中的马约拉纳零能模及其阵列构筑

物理学报 2024年第3期73卷 1-15页

作者：李更丁洪汪自强高鸿钧中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室北京100190 中国科学院大学物理科学学院北京100049 合肥国家实验室合肥230088 上海交通大学李政道研究所上海201210 波士顿学院美国马萨诸塞州02467

马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计,其编织操作可用于构筑拓扑量子比特,是拓扑量子计算的基本单元,可从原理上解决量子计算中环境噪声带来的退相干问题.现有的马约拉纳零能模平台包括复合异质结构,如拓扑绝缘体/超导体、半导体纳米线/超... 详细信息

马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计,其编织操作可用于构筑拓扑量子比特,是拓扑量子计算的基本单元,可从原理上解决量子计算中环境噪声带来的退相干问题.现有的马约拉纳零能模平台包括复合异质结构,如拓扑绝缘体/超导体、半导体纳米线/超导体或一维磁性原子链/超导体等,以及单一材料,如2M-WS_(2),4Hb-TaS_(2)和铁基超导体等.铁基超导体中的马约拉纳零能模具有材料平台简单、零能模纯净以及存活温度较高等一系列优势,引起了广泛关注.最近,大面积、有序和可调控的马约拉纳零能模晶格阵列在铁基超导体LiFeAs中被观测到,为未来的拓扑量子计算提供了一个理想平台.本综述首先回顾铁基超导体中马约拉纳零能模的实验观测,其中将重点介绍FeTe_(0.55)Se_(0.45),(Li_(0.84)Fe_(0.16))OHFeSe,CaKFe_(4)As_(4)和LiFeAs等材料体系.接着介绍给出铁基超导体中马约拉纳零能模关键性实验证据的一系列工作.然后进一步详细介绍近期LiFeAs中观测到有序和可调马约拉纳零能模晶格阵列的工作.最后给出总结和对未来马约拉纳领域研究的展望.

关键词：铁基超导体拓扑能带结构马约拉纳零模

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非掺杂型Si/SiGe异质结外延与表征

物理学报 2024年第11期73卷 297-304页

作者：耿鑫张结印卢文龙明铭刘方泽符彬啸褚逸昕颜谋回王保传张新定郭国平张建军华南师范大学物理学院广州510631 松山湖材料实验室半导体异质材料与器件中心东莞523830 中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室合肥230026 中国科学院物理研究所纳米物理与器件重点实验室北京100190 上海大学理学院上海200444

以自旋为编码单元的硅基半导体量子计算与传统微电子工艺兼容,易拓展且可以同位素纯化提高退相干时间,因而备受关注.本研究工作通过分子束外延生长了高质量非掺杂型Si/SiGe异质结并测试了二维电子气迁移率.球差电镜观察到原子级尖锐界面... 详细信息

以自旋为编码单元的硅基半导体量子计算与传统微电子工艺兼容,易拓展且可以同位素纯化提高退相干时间,因而备受关注.本研究工作通过分子束外延生长了高质量非掺杂型Si/SiGe异质结并测试了二维电子气迁移率.球差电镜观察到原子级尖锐界面,原子力显微镜表征显示其表面均方根粗糙度仅为0.44 nm,低温下迁移率达到20.21×10^(4)cm^(2)·V^(–1)·s^(–1).不同栅压下载流子浓度和迁移率的幂指数为1.026,材料丁格比值在7—12之间,表明载流子主要受到背景杂质散射和半导体/氧化物的界面散射.

关键词： Si/SiGe异质结二维电子气霍尔迁移率硅基量子计算

Bi_(2)O_(2)Se纳米线的生长及其超导量子干涉器件

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物理学报 2024年第4期73卷 285-290页

作者：刘怀远肖建飞吕昭征吕力屈凡明中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心北京100190 中国科学院大学物理科学学院北京100049 合肥国家实验室合肥230088

Bi_(2)O_(2)Se是一种新型半导体材料,具有载流子迁移率高、空气中稳定和自旋轨道耦合强等优点,并且其合成方法多种多样,应用范围十分广泛.但已有研究大多集中在其二维薄膜,本文介绍一种使用三温区管式炉通过化学气相沉积生长Bi_(2)O_(2... 详细信息

Bi_(2)O_(2)Se是一种新型半导体材料,具有载流子迁移率高、空气中稳定和自旋轨道耦合强等优点,并且其合成方法多种多样,应用范围十分广泛.但已有研究大多集中在其二维薄膜,本文介绍一种使用三温区管式炉通过化学气相沉积生长Bi_(2)O_(2)Se一维纳米线的方法,研究了云母衬底处于水平方向不同位置以及竖直方向不同高度对Bi_(2)O_(2)Se纳米线生长的影响,并归纳出适于其生长的优化条件.之后,基于生长的Bi_(2)O_(2)Se纳米线构建了超导量子干涉器件,并观测到随磁场的超导量子干涉,为拓宽Bi_(2)O_(2)Se纳米线的应用提供了思路.

关键词： Bi_(2)O_(2)Se纳米线化学气相沉积超导量子干涉器

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基于干式制冷的低温扫描探针显微镜研究进展

物理学报 2024年

作者：黄远志杨传浩何颂平马瑞松郇庆中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室中科艾科米(北京)科技有限公司

二十一世纪以来，扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用。为了使扫描探针显微镜获得更稳定的运行环境、更高的能量分辨率，人们研发了具备超高真空（U... 详细信息

二十一世纪以来，扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用。为了使扫描探针显微镜获得更稳定的运行环境、更高的能量分辨率，人们研发了具备超高真空（Ultra high vacuum，UHV）和低温（Low temperature，LT）环境的SPM系统（UHV-LT-SPM）。目前，大多数的UHV-LT-SPM系统通过向连续流式低温恒温器或低温杜瓦中输送液态氦-4(4He)，使SPM达到约4.2 K的温度。然而由于4He元素在自然界中含量低且因需求日益增长，导致液氦价格急剧飙升，严重影响到了4He相关低温设备的正常运行。为应对上述问题，干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向。在此背景下，将干式制冷技术与扫描探针显微镜相结合，搭建干式低温扫描探针显微镜，成为了目前扫描探针仪器领域的研究重点之一。本文主要从扫描探针显微镜系统设计、降温设计、减振方法以及其设备性能等方面，介绍目前已经报道的几种干式LT-SPM系统。最后总结了干式LT-SPM系统目前所遇见的问题和挑战，探讨了该技术未来的发展方向。

关键词：干式制冷低温扫描探针显微镜振动

可调谐的声学型石墨烯等离激元增强纳米红外光谱

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物理学报 2024年第13期73卷 336-345页

作者：段谕戴小康吴晨晨杨晓霞郑州大学河南先进技术研究院郑州450001 国家纳米科学中心中国科学院纳米科学卓越创新中心中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室中国科学院纳米标准与检测重点实验室北京100190 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

纳米红外光谱(nano-infrared spectroscopy,nano-IR)技术能够突破光的衍射极限,实现约10 nm空间分辨率的红外光谱检测,是研究纳米尺度物质化学成分和结构的重要技术手段.然而,由于纳米物质的尺寸与红外光的波长存在较大失配,导致其红外... 详细信息

纳米红外光谱(nano-infrared spectroscopy,nano-IR)技术能够突破光的衍射极限,实现约10 nm空间分辨率的红外光谱检测,是研究纳米尺度物质化学成分和结构的重要技术手段.然而,由于纳米物质的尺寸与红外光的波长存在较大失配,导致其红外吸收信号微弱.本文理论提出了一种基于纳米腔室的声学型石墨烯等离激元(nanocavity-acoustic graphene plasmon,n-AGP)可调谐增强nano-IR检测平台.该平台可实现超高光场压缩(模式体积Vn-AGP≈10-7λ_(0)~3,λ_(0)=6.25μm)和约50倍电场增强的n-AGP激发.通过调控金纳米腔室结构和石墨烯费米能级,我们实现了n-AGP的宽频段动态调控(1290—2124 cm^(-1)).此外,由于n-AGP的电磁场高度局域在纳米腔室内,具有高的探测灵敏度,可实现单个蛋白质颗粒酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带振动指纹特征的探测(灵敏度提高约9倍).这一基于n-AGP的增强结构拓展了nano-IR技术在单分子尺度的表征能力,可广泛应用于生物、催化等领域.

关键词：石墨烯纳米腔室等离激元表面增强红外光谱

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基于近场光学成像技术的极化激元学研究进展

物理学报 2024年第8期73卷 1-21页

作者：周怡汐李志鹏陈佳宁首都师范大学物理系北京100048 中国科学院物理研究所北京100190 中国科学院大学物理学院北京100049 北京凝聚态物理国家研究中心北京100190 松山湖材料实验室东莞523808

极化激元作为光与物质的混合激发可以实现纳米光场的精确调控,为未来纳米光电器件的小型化和集成化提供了有效的途径.近年来,借助散射型扫描近场光学显微镜对多类型极化激元的观测,多种光学现象背后的物理机制被揭示,进一步加深了对极... 详细信息

极化激元作为光与物质的混合激发可以实现纳米光场的精确调控,为未来纳米光电器件的小型化和集成化提供了有效的途径.近年来,借助散射型扫描近场光学显微镜对多类型极化激元的观测,多种光学现象背后的物理机制被揭示,进一步加深了对极化激元物理和相互作用的理解,也极大地推动了极化激元调控及其应用的研究.基于此,本文总结了最新的极化激元近场研究进展.不同于前期关于二维材料极化激元的综述,本文不仅涵盖了三维至一维的极化激元材料体系,还在极化激元纳米光学特性方面增添了各向异性极化激元的最新研究工作,并且系统总结了极化激元调控的最新进展以及在亚衍射成像和聚焦、纳米结构识别、光调制器和分子检测等方面的相关应用.最后,对极化激元未来的研究方向进行了展望.

关键词：近场光学成像极化激元各向异性调控及应用

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超冷离子源研究进展

物理学报 2024年第17期73卷 46-65页

作者：周文长方锋罗长杰牟宏进卢亮邹丽平程锐杨杰杜广华中国科学院近代物理研究所兰州730000 中山大学中法核工程与技术学院珠海519082 中国科学院大学北京100049 先进能源科学与技术广东省实验室惠州516003 中国科学院近代物理研究所高精度核谱学重点实验室兰州730000

纳米离子束是制备束斑直径在微纳米尺度荷能离子束的先进技术,主要应用于高分辨和高精度的离子束分析、离子束加工和离子束材料改性研究,在材料分析、微纳加工、微电子器件制造和量子计算等方面发挥着重要的作用.高品质离子源作为纳米... 详细信息

纳米离子束是制备束斑直径在微纳米尺度荷能离子束的先进技术,主要应用于高分辨和高精度的离子束分析、离子束加工和离子束材料改性研究,在材料分析、微纳加工、微电子器件制造和量子计算等方面发挥着重要的作用.高品质离子源作为纳米离子束装置的关键部件,其性能指标直接决定着该装置的技术水平.然而,目前常用的传统离子源存在离子种类单一、能散高和结构复杂等问题,已经难以满足新应用场景下的多离子种类和高分辨的要求,突显出研发新型离子源的重要性和迫切性.随着激光冷却技术的日臻成熟,基于光电离冷原子和激光冷却离子技术可以获得温度在mK甚至μK量级的超冷离子,其低温和易于操控等典型特征极大地促进了超冷离子源的发展.超冷离子具有极小的横向速度发散,可以显著提升离子源的亮度和发射度等品质参数,为纳米离子束技术的革新带来了巨大的发展机遇.因此,超冷离子源的研究对于实现更高亮度、更小尺寸、更低能散、更多样化离子种类以及结构更简化的高品质离子源具有重要的意义.本文综述了近年来超冷离子源的研究进展,从制备原理、产生方式以及典型应用等方面介绍了磁光阱离子源、冷原子束离子源和超冷单离子源在基础研究和应用技术研发方面取得的重要成果,并对超冷离子源的未来发展和应用前景进行了展望.

关键词：纳米离子束磁光阱离子源冷原子束离子源超冷单离子源

基于实验室光源的透射X射线纳米分辨显微镜研制

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物理学报 2024年第17期73卷 66-74页

作者：廖可梁何其利宋杨李荣刚宋茂华李盼云赵海峰刘鹏朱佩平济南汉江光电科技有限公司济南市X射线光学重点实验室济南250000 中国科学院高能物理研究所北京同步辐射装置北京100049

透射X射线显微镜(transmission X-ray microscope,TXM)是高精密度的尖端X射线成像设备,是现代科学技术的结晶,可以在纳米尺度上进行无损成像,为物理学、生命科学、材料学和化学等领域的众多科学问题提供了有力的研究工具.虽然国内外很... 详细信息

透射X射线显微镜(transmission X-ray microscope,TXM)是高精密度的尖端X射线成像设备,是现代科学技术的结晶,可以在纳米尺度上进行无损成像,为物理学、生命科学、材料学和化学等领域的众多科学问题提供了有力的研究工具.虽然国内外很多同步辐射装置都建立了以TXM为核心的纳米CT实验站,但是目前国际上只有个别企业能提供商业化的实验室TXM.究其原因,主要是该仪器涉及众多高难度的工程技术问题,诸如:高亮度实验室X射线源、高分辨率X射线光学元器件、高精度样品台、高灵敏度探测器、仪器对温度和振动等环境因素的超高要求等.为了提高研发高端X射线成像仪器的水平,需要逐个突破在研发X射线纳米CT过程中遇到的技术瓶颈.本文主要讨论了工作能量为5.4 keV的实验室TXM的仪器设计,以及全场成像实验结果.该仪器工作在吸收衬度模式下,成像视野达到了26μm,可以对30 nm线宽的特征结构实现清晰的成像,西门子星测试卡的功率谱曲线表明该仪器具有分辨半周期为28.6 nm线对结构的潜力.

关键词： X 射线成像 X 射线显微镜科学仪器