材料物理教育部重点实验室介绍

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实验室简介

      材料物理教育部重点实验室是在中国科学院院士霍裕平教授主持下，以郑州大学物理工程学院的原金属物理实验室、半导体物理实验室、低温和超导物理实验室、核技术应用实验室、激光应用技术实验室以及固体物理教研室为基础于1998年组建而成的。2001年11月通过河南省科技厅组织的专家论证，被确定为河南省重点实验室2001年12月经教育部批准开始筹建教育部重点实验室，2003年12月通过教育部验收，开始正式运行。实验室先后得到了“九五”“211”工程、河南省重点学科、教育部“振兴行动”计划等专项经费的重点支持。实验室现有冷场发射扫描显微镜、高温性能实验机、热等加压机、CVD薄膜沉积系统等大型实验设备等一批结构分析和性能测试设备。
       自成立以来，实验室以“科研为国民经济建设服务”为宗旨，紧密结合河南省地方经济的特色、优势产业及其对材料物理研究的实际需求，突出和强调物理学各分支学科以及物理学与材料学、化学等学科之间的相互交叉和综合，通过与相关高等院校、科研院所和工业农业生产单位合作攻关，卓有成效地开展了一些具有重要意义的科研工作，并逐步形成了金属材料与金属物理、薄膜物理与薄膜材料、陶瓷材料与纳米材料、材料计算与设计四个稳定且具有自己优势和特色的研究方向。

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学术委员会

     河南省材料物理重点实验室于2003年底被批准为材料物理教育部重点实验室，为便于组织和开展工作，两个实验室设置了一个共同的学术委员会，并分别于2004年4月、2004年5月得到教育部和省科技厅的批准。郑州大学下文聘请以下人员为学术委员会成员。
主  任： 邹广田（吉林大学教授，中科院院士）
副主任： 霍裕平（郑州大学教授，中国科学院院士）
               顾松青（郑州轻金属研究院院长、教授，博士生导师）
委  员： 陈乾旺（中国科技大学教授，博士生导师）
         陈乾旺（中国科技大学教授，博士生导师）
         张振宇（美国橡树岭国家实验室研究员、美国田纳西大学物理教授）
         王 牧（南京大学教授，博士生导师）
         杜祖亮（河南大学教授，博士生导师）
         谢敬佩（河南科技大学教授，博士生导师）
         关绍康（郑州大学教授，博士生导师）
         曹少魁（郑州大学教授，博士生导师）

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人员结构

实验室主任： 霍裕平
实验室常务副主任： 李新建
实验室副主任： 胡 行
办公室： 宋天福 李维强 朱丽红
1.陶瓷材料与纳米材料： 胡 行 孙洪巍 杨德林 李新建 王新昌 田永涛
2.薄膜物理与薄膜材料：   
（1） 薄膜材料：　 张兵临 姚 宁 史新伟
（2）太阳能电池： 卢景霄 杨仕娥 郜小勇 陈永生
3.金属物理与合金材料： 刘忠侠 翁永刚 王明星 刘志勇 左秀荣 杨 昇 梁二军 晁明举
4.材料计算与设计： 贾 瑜 李顺方 李平林 赵维娟

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研究方向

       河南省材料物理重点实验室是在中国科学院院士霍裕平教授主持下，以郑州大学物理工程学院的原金属物理实验室、半导体物理实验室、低温和超导物理实验室、核技术应用实验室、激光应用技术实验室以及固体物理教研室为基础于1998年组建而成的。实验室先后得到了“九五”“211”工程、河南省重点学科、教育部“振兴行动”计划等专项经费的重点支持，建设经费总额达3530万元。实验室于2001年11月通过河南省科技厅组织的专家论证，被确定为河南省重点实验室。自成立以来，实验室以“科研为国民经济建设服务”为宗旨，紧密结合河南省地方经济的特色、优势产业及其对材料物理研究的实际需求，突出和强调物理学各分支学科以及物理学与材料学、化学、生物学等学科之间的相互交叉和综合，通过与相关高等院校、科研院所和工业农业生产单位合作攻关，卓有成效地开展了一些具有重要意义的科研工作，并逐步形成了金属材料与金属物理、薄膜材料与薄膜物理、陶瓷材料、离子束与物质相互作用、材料计算与模拟等五个稳定且具有自己优势和特色的研究方向。各个研究方向的主要内容是：
       （1）合金材料与金属物理。本研究方向主要针对世界铝合金的钛合金化趋向和我国含钛铝合金牌号明显偏少的现状，分别从凝聚态物理学和材料学角度对铝合金加钛的方式及其对合金材料组织、力学性能的影响展开研究。不同于传统的纯铝熔配加钛工艺，本研究着力于通过直接电解的方式实现铝基合金的自然加钛和晶粒的自细化，在简化生产工艺、降低生产成本的同时，达到细化铝合金组织、提高力学性能的目的，为丰富我国含钛铝合金的牌号、提高相关铝合金产品的品质做出贡献。自1997年以来，先后完成了电解低钛铝合金生产技术的工艺实验、工业实验和工艺优化，系统研究了电解加钛方式对铝合金的微观组织、力学性能和服役效能的影响，并通过实验和理论计算分析了电解低钛铝合金的晶粒细化机理和强韧化机理，实现了工业应用含钛铝合金的直接电解生产。本研究在基本不改变我国现有铝电解设施和电解工艺的前提下，通过电解槽中的铝钛共析实现铝合金的自然加钛。所生产的低钛铝合金晶粒细化效果好、抗衰退能力强，其综合力学性能较传统熔配加钛方式生产的同类合金提高10%以上，并能明显降低生产成本，在铸造铝合金、变形铝合金等生产领域具有广阔的市场前景。该研究先后两次得到河南省重大科技攻关项目以及“211工程”重点建设学科项目的支持，项目涉及的关键技术获得国家发明专利1项、河南省科技进步二等奖1项，通过省级科技鉴定3项。课题组自主起草的《细晶铝锭》作为国家有色金属行业标准已于2004年12月通过终审并将于2005年6月颁布，彻底改变了将纯铝中的钛视为杂质的传统观念，新增了XAl 99.70A－1～４等4种拥有自主知识产权的含钛铝合金新牌号。该工艺技术已在河南省登封电厂集团铝合金有限公司等3个厂家用于生产A356、ZL108、6063等主要牌号的铝合金，并用于汽车摩托车轮毂、发动机壳体和活塞、建筑型材等产品的实际生产，在提高相关产品性能的同时获得了良好的经济和社会效益，而且进一步推广的市场潜力很大。目前，课题组正在进一步拓宽直接电解铝合金的研究范围（如铝钪合金、铝稀土合金及多元铝基合金等），以期在取得基础研究成果的同时，推动我国铝工业的快速发展和科技进步，为市场提供更多性能优良的、能够满足不同需求的铝合金新牌号。五年来，本研究方向还对金属的激光表面改性与刻槽技术的若干关键问题进行了研究。在激光熔覆研究方面，首次通过在镍基和铁基自熔合金粉末中添加TiO2、V2O5、Nb2O3等氧化物的方法，获得了细化晶粒、抑制裂纹和提高耐磨性能的良好效果，并通过对比实验阐明了氧化物对熔覆层性能改善的作用机理（Surf. Coat. Tech .179, 265 (2004)）；在激光热处理方面，研究了耐磨铸铁、中碳钢、模具钢、钢轨钢等激光淬火的机理，获得了铸铁缸套、挤塑机换网器、U74钢轨等零部件的成熟工艺，其中经过激光淬火的U74钢轨已试铺于京广铁路干线新乡段，使用寿命提高一倍；自主研制的新型激光热处理涂料已经在中原华工激光设备有限公司大量使用。目前，正在对激光与材料相互作用过程中的一些基本物理、化学和材料学问题展开深入研究，有望在激光熔覆过程中特定物相的原位生成与利用、激光熔覆层的材料设计、激光表面改性与激光刻槽技术产业化等方面取得进展。本方向是凝聚态物理国家重点学科和材料物理教育部重点实验室的主要研究方向，学术队伍中有教授、副教授10人，高级实验师2人，博士学位获得者9人。五年来，承担了河南省重大科技攻关项目2项、河南省杰出人才创新基金2项、河南省高校创新人才工程项目2项、“十五” “211工程”“结构材料与生物材料物理”学科重点科研项目2项，完成科技成果鉴定8项，获得国家发明专利1项、实用新型专利3项，转让科技成果3项，发表论文122篇；授予硕士学位17人，博士学位5人。
       （2）材料物理。本方向主要开展碳基薄膜、硅基纳米半导体体系、半导体电子结构计算和表面生长动力学模拟等方面的研究工作。在金刚石等碳基薄膜研究方面，先后制备出金刚石、非晶碳、石墨、碳纳米管等薄膜冷阴极，系统研究了其场致电子发射特性。在此基础上，研制了以碳基薄膜为冷阴极的二极管结构场发射平板显示器并设计了驱动电路，制备出了三极管型冷阴极场发射像素管原型器件。由张兵临教授主持的“九五”863项目“金刚石膜冷阴极场发射平板显示”（715-002-0042）于2000年12月通过国家863计划项目专家组的验收，项目的整体评价是“该项目出色地完成了任务，有关基本技术已达到国际先进水平，产业化源头工作基础做得很好”。目前，在教育部科研重点项目（205091）的支持下，正在进行碳基薄膜表面改性等方面的基础研究工作，以期进一步提高冷阴极的场致电子发射点密度及电流密度，从而提高场发射平板显示器件的性能，有望推出仪器用抗干扰平板显示器。此外，还针对金刚石薄膜在刀具、磨具等方面的工业应用，研究金刚石薄膜在硬质合金和柔性金属基底上沉积的动力学过程和沉积机理，从而了解薄膜的力学机械性能、薄膜和衬底的结合力与制备条件、生长过程和微观结构的关系；与理论计算相结合，通过采用基底离子束注入改性、多层异质过渡层设计等技术，有效增加了金刚石薄膜与基底材料之间的附着力及耐冲击、耐磨性能，展现出良好的技术开发前景。在硅基纳米半导体体系研究方面，主要开展了金属钝化多孔硅和硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）及其复合纳米体系的制备技术、物理性能和器件应用的研究。李新建教授首次提出了金属钝化多孔硅的概念并通过发明原位水热钝化技术（2002年获国家发明专利：ZL 98 1 11581.0）予以实现,多孔硅发光效率得到提高，发光稳定性得到增强，同时为多孔硅发光的量子限域模型提供了有力的实验证据。主要结果发表在Phys. Rev. Lett.（PRL81（1998）1710）、Appl. Phys. Lett.和Phys. Rev. B上，被PRL审稿人评论为“多孔硅铁钝化的整个思想是崭新的，可能是一个重要的科学和技术上的成果”，论文单篇引用率达34次。在此基础上，制备出在微米、纳米尺度上具有规则的三重层次结构的硅纳米孔柱阵列（Si-NPA），该结构表现出独特的光吸收特性。以此为模板，通过沉积或自组装技术，制备出多种结构和性能奇特的异质半导体、金属、金属氧化物等复合纳米体系。如Fe3O4/Si-NPA具有优良的湿敏传感特性（Sens. Actuators B105, 219（2005）），TiO2/Si-NPA的光催化效率相对于TiO2/玻璃提高2倍以上等。目前，正针对Si-NPA基复合纳米体系的导电和介电特性、光学和光催化特性、气湿敏传感特性等展开深入研究，并取得了很好的进展。在半导体电子结构计算和表面生长动力学模拟研究方面，采用第一性原理方法，研究了金属在金刚石表面和其他半导体表面生长的动力学过程；提出了金属Ti原子在金刚石表面所表现出的一种新的扩散机制；在此基础上，预言了金属Ti原子在金刚石表面可能的量子点结构。研究结果发表在 Phys. Rev. Lett.（PRL94（2005）086101）上，并应邀在2004年7月召开的“第三届国际计算材料和凝聚态理论会议”上作大会特邀报告。目前的研究工作主要为在纳米尺度上对摩擦机制的理解。本方向是凝聚态物理国家重点学科和材料物理教育部重点实验室的主要研究方向。学术队伍中有教授、副教授14人，博士学位获得者13人。五年来，承担了国家863项目1项、国家自然科学基金项目4项、教育部科研重点项目1项、河南省高校创新人才工程项目1项、河南省杰出青年科学基金2项、“十五”“211工程”“结构材料与生物材料物理”学科重点科研项目3项；在国内外学术期刊上发表论文174篇，完成科技成果鉴定6项，转让科技成果4项；授予硕士学位27人，博士学位7人。
       （3）陶瓷材料。该方向主要研究有重大应用前景的特种功能和结构陶瓷材料。目前研究内容主要包括高温超导材料及其气体分离技术的研究、Al2O3基结构陶瓷原位生长晶须增韧技术的研究和气敏、湿敏薄膜传感材料的制备技术、性能及其应用基础研究。其中利用YBCO超导材料对氧的选择吸附特性所开发的分子筛材料和混合导体透氧膜材料技术及其成套设备已经产业化并开始在企业中得到初步应用。
       （4）离子束与物质相互作用。该方向包括两个方面的内容。一是通过低能离子注入和辐照的方法，对材料表面进行改性和预处理。二是以离子注入和加速器低能离子辐照为手段，通过对农作物种子、微生物菌种及动物活体细胞进行处理来诱发遗传变异，研究辐射生物学规律并将最终稳定下来的有利变异的种子和菌种在农业和发酵工业上大规模使用。
       （5）材料计算与模拟。该方向主要结合本实验室其他方向的研究工作，从理论计算与模拟的角度为实验结果提供前瞻性判断或理论验证与解释。近期主要开展具有特殊结构的多种半导体材料的电子结构计算、金属和合金中缺陷运动的分子动力学模拟、超导材料气体分离过程的理论计算以及金刚石材料在硬质合金基底上生长的动力学过程的模拟等课题。

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承担项目

项目来源 项目名称 主持人 经费 （万元） 起止时间 中华人民共和国有色金属行业协会 《细晶铝锭》（国家标准制定） 左秀荣 4 2003-2004 中华人民共和国有色金属行业协会 《变形铝合金挤压用圆铸锭》（国家标准制定） 左秀荣 3 2003-2004 国家自然科学基金重点项目 用核分析技术研究古名瓷的若干关键性疑难问题（50432010）) 李国霞 40 2004-2007 国家自然科学基金 用核分析技术研究清凉寺窑与汝州张公巷窑的渊源关系（10205013） 赵维娟 7.5 2003-2005 河南省高校创新人才培养工程 碳、碳氮、硼碳氮纳米管的制备与性能研究（1999-125） 梁二军 50 2000-2004 河南省高校创新人才培养工程 硅基纳米结构材料的制备技术及物性研究 李新建 50 2001-2005 河南省重大科技攻关项目 低钛铝基合金的电解生产及其应用（0322020600）　 霍裕平 50 2003-2005 河南省科技攻关项目 多晶硅太阳电池表面织构的研究（0424210016） 王海燕 2 2004-2006 河南省科技攻关项目 太阳能光伏并网发电系统（0324240045） 卢景霄 自筹 2003-2005 河南省自然科学基金项目 二硼化镁超导电性及硼、镁元素对高温超导体掺杂效应研究（0211010300） 胡 行 2 2002-2004

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主要设备

仪器设备名称 冷场发射扫描电子显微镜 扫描电子显微镜 透射电子显微镜 透射电子显微镜 原子力显微镜 体视显微镜及成像系统 激光共聚焦扫描显微镜 倒置相差显微镜 金相显微镜及图象分析系统 静电离子加速器 TITAN离子注入机 金属成分分析仪 紫外可见光分光光度计 显微拉曼光谱仪 电化学综合测试系统 纳米粒度Zta电位分析仪 热分析系统 M?ssbauer谱仪 薄膜测厚仪 超高真空场发射测试系统 双光栅单色仪 光学多道分析仪 气相色谱仪 气相色谱仪