纳米尺度多场物性与输运性质测量及调控

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纳米材料与器件近年来发展迅速。一方面，材料性能日益多功能化，集成力、电、磁、热、光等多场复合效应；另一方面，材料的微观结构也变得复杂而富有层次，对其宏观性能产生深刻影响。例如，在热电材料中，界面、缺陷和量子局域效应被广泛用于提升热电优值；在钙钛矿太阳能电池中，极性电畴壁被认为给电子和空穴提供分离的高速输运通道；而在高密度磁阻存储器件中，纳米结构对磁电耦合和输运至关重要。从诸多热点领域所选取的这三个典型实例表明，发展多场复合效应的新型功能材料与器件是当今纳米科技的重要趋势，而显著的尺寸、界面和量子效应也给材料与器件的宏观性能带来深刻影响，需要在纳米尺度综合调控和定量测量。

当前，对材料微观结构的表征和宏观性能的测量已较为成熟：在显微结构上，能在原子尺度精确确定材料物相和成分；在宏观性能上，表征电、光、磁、力、热响应及其耦合也加深了人们对多场物性的理解。这些成熟的单项技术表明，在单分子及纳米层面调控并测量材料电、光、磁、力、热及其耦合响应时机已经到来，也是推动先进功能材料与器件发展的大势所趋。然而由于表征技术的限制，人们对纳米尺度多场物性的关注还不多，相关调控和测量仍处于襁褓之中。

为揭示光电、热电、磁电材料和器件的微观结构、局域响应和宏观性能的关联，分析铁电极化对光电转换的调控，界面和缺陷对热电输运的影响以及微纳结构和磁电耦合的相互作用，中国科学院深圳先进技术研究院牵头，联合华南师范大学、清华大学以及南京大学，共同承担了国家重点研发计划“纳米科技”重点专项 - 纳米尺度多场物性与输运性质测量及调控。该项目旨在发展基于多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，在纳米尺度综合定量测量调控材料电学、光学、磁学、力学和热学多场物理及输运性质，为研究先进功能材料与器件中的关键科学问题提供强有力工具。

项目的主要研究内容分为以下四个方面：（1）发展纳米尺度多场激励调控与测量技术：通过微纳加工研发制备多功能扫描探针，结合原子力显微镜环境下宏观复合加载系统，以及宏观微观协同的跨尺度测试分析和模拟，实现纳米尺度多场物理及输运性质的综合测量与调控，为深入研究光电转换、热电输运、以及磁电耦合性能提供强有力的工具和方法。（2）研究极化调控光电转换：制备一系列材料与器件，在单分子层面，运用扫描探针定量测量极性分子在多场激励下的光电子激发、复合及输运，揭示电极化调控有机无机钙钛矿光电转换及光控开关的微观机理和失效过程，阐明微纳结构、极性和缺陷对新型太阳能电池性能的影响和调控，进而提出光电器件设计调控新方法。（3）研究纳米尺度热电输运：在微纳尺度，运用扫描探针定量测量热电材料在跨尺度多场载荷下的局域响应，揭示界面、缺陷和复合结构对热电输运的影响及其失效过程，探索磁场光场对自旋塞贝克效应的调制以及声子、光子和载流子的相互作用，阐明微纳结构和缺陷对高性能热电材料输运性质的影响，进而提出热电材料设计调控新方法。（4）多场调控磁电器件：针对磁、电、光、热、力对多铁性磁电序参量的调控及电输运的影响，运用扫描探针定量测量磁电介质在跨尺度复合载荷下的局域响应，研究单分子磁体各向异性和弛豫，揭示磁电有序及演化与微观结构的关联，特别是受缺陷的影响及其失效机理，进而提出磁电材料设计调控新方法。

项目预期将开发基于多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，实现在纳米尺度综合调控、定量测量材料多场物理及输运性质，并以此解决先进功能材料与器件的一系列关键科学问题，进而形成一系列原创、具有自主知识产权的新思想（如宏观微观协同调控测试）、新技术（如多功能扫描探针激励和多场原子力显微样品加载）、新方法（如跨尺度实验测试、数据采集、和计算模拟）和新发现（如光电、热电、磁电多场物性和耦合新机制），推动纳米技术、高速低能耗信息处理与存储、微电子器件、高效清洁能源、以及精密仪器等产业和领域的发展。