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中心簡介

中科院物理研究所功能晶體研究與應(yīng)用中心的研究工作主要集中在寬禁帶半導(dǎo)體晶體生長和新功能晶體材料探索方面，在國家863、973和科技支撐計劃等科研項目的支持下，近年來在SiC晶體生長和加工、鐵基新超導(dǎo)體和硼酸鹽晶體、摻雜寬禁帶半導(dǎo)體的物性以及SiC襯底上外延石墨烯及其性能等方面獲得了一系列基礎(chǔ)研究成果，同時在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域也取得了重大突破，形成了鮮明的特色。

研究組目前擁有2名研究員、3名副研究員、1名高級實驗師、1名助理研究員和17名研究生，具有良好的創(chuàng)新意識和較強的科研能力。2010年，以研究組為核心的寬禁帶半導(dǎo)體材料研究與應(yīng)用團隊榮獲“中國科學(xué)院先進集體”榮譽稱號。

研究組擁有中頻感應(yīng)加熱晶體生長爐、磁控濺射儀、手套箱、X-射線衍射儀、綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）和霍爾效應(yīng)測試儀等儀器設(shè)備，為科研工作的順利開展提供了充分保障。

研究組與國際衍射數(shù)據(jù)中心（International Centre for Diffraction Data，ICDD）保持長期的合作關(guān)系。此外，研究組與Stony Brook University-SUNY、Tokyo Institute of Technology、Leibniz-Institut für Kristallzüchtung以及國內(nèi)多家科研院所和高校的相關(guān)研究組建立了密切的聯(lián)系。

中心主任陳小龍研究員簡介

陳小龍，博士，德國海德堡大學(xué)和巴洛意特大學(xué)洪堡學(xué)者�，F(xiàn)任中科院物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，功能晶體研究與應(yīng)用中心主任，1999年獲國家杰出青年科學(xué)基金，2004年至今兼任中國晶體學(xué)會副理事長和國際衍射數(shù)據(jù)中心（ICDD）中國區(qū)主席，2007年獲ICDD Fellow稱號，2009年成為“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人選，2009年獲第五屆“發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎”特等獎，作為負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)寬禁帶半導(dǎo)體材料研究與應(yīng)用團隊獲2010年度“中國科學(xué)院先進集體”榮譽稱號。

長期從事寬禁帶半導(dǎo)體材料和新功能晶體材料探索方面的研究工作，先后主持國家863、973和國家科技支撐計劃等23個科研項目，取得了多項研究成果。系統(tǒng)開展了碳化硅晶體生長的基礎(chǔ)和應(yīng)用開發(fā)研究工作，解決了多項關(guān)鍵科學(xué)問題和系列關(guān)鍵技術(shù)，生長出2-4英寸高質(zhì)量晶體；攻克了晶體制備重復(fù)性和穩(wěn)定性等關(guān)鍵工程化問題，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了碳化硅晶體的產(chǎn)業(yè)化，碳化硅系列晶片批量供應(yīng)國內(nèi)用戶，并出口至歐美和日本等發(fā)達(dá)國家，打破了國外的長期壟斷，為發(fā)展我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)了一系列新的功能晶體材料，包括新超導(dǎo)體K0.8Fe2Se2和具有潛在應(yīng)用價值的閃爍晶體YBa3B9O18等，精確測定了新化合物的晶體結(jié)構(gòu)，其中120個化合物的衍射數(shù)據(jù)被ICDD收錄為標(biāo)準(zhǔn)衍射數(shù)據(jù)。申請發(fā)明專利45項，其中已授權(quán)16項。在國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文301篇，共被引用2549次（h因子23）。

部分研究領(lǐng)域

SiC晶體生長和加工

SiC是重要的寬禁帶半導(dǎo)體，具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強等特性和優(yōu)勢，是制作高溫、高頻、大功率、高壓以及抗輻射電子器件的理想材料，在軍工、航天、電力電子和固態(tài)照明等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，是當(dāng)前全球半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的前沿之一。

物理氣相傳輸(PVT)法生長SiC晶體直到20世紀(jì)90年代才獲得突破，主要原因在于其生長過程難以控制：(1)生長溫度高達(dá)2200-2500℃，生長過程中溫場易發(fā)生變化；(2)存在200多種晶型，且各晶型的生成自由能差別很小，生長過程中很容易相變；(3)晶體中很容易產(chǎn)生微管等缺陷，嚴(yán)重影響器件性能；(4)晶體生長過程中，氣相成分不斷變化，容易導(dǎo)致包裹物的形成。國際上只有少數(shù)機構(gòu)掌握了PVT法生長SiC單晶的關(guān)鍵技術(shù)，并對我國實行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖。開展SiC晶體研究和產(chǎn)業(yè)化，對滿足國家安全需求和推動我國高端微電子和光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

研究組自1999年以來持續(xù)開展SiC晶體研究，解決了大尺寸SiC晶體生長的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，在SiC單晶制備領(lǐng)域取得了突破，主要成果如下：(1)研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SiC晶體生長爐，避免使用感應(yīng)線圈和生長室之間的雙層夾水石英管，提高了耦合效率，最高溫度可達(dá)2600℃，可生長4英寸晶體，可實現(xiàn)壓力的精確動態(tài)控制、坩堝的軸向運動和自轉(zhuǎn)，設(shè)備整體性能與國外同類設(shè)備相當(dāng)，但制造成本只有國外同類設(shè)備的1/8左右。(2)突破了SiC晶體微管密度控制、電阻率調(diào)控和化學(xué)機械拋光等關(guān)鍵技術(shù)，掌握了晶體生長和加工的核心技術(shù)，形成了一套從原料獲得、晶體生長、加工、檢測到清洗封裝的技術(shù)路線，先后申請國家發(fā)明專利23項，其中4項已獲得授權(quán)。(3)研制出了多種規(guī)格的高質(zhì)量2-4英寸4H-SiC和6H-SiC導(dǎo)電和半絕緣晶片，75％晶片微管密度低于10個/cm2，95％晶片X-射線搖擺曲線半高寬小于30弧秒，半絕緣晶片的電阻率大于106Ω·cm，導(dǎo)電4H碳化硅晶片的電阻率控制在0.02Ω·cm以下，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進水平。(4)在國內(nèi)率先實現(xiàn)了SiC晶體的產(chǎn)業(yè)化，2006年以3項發(fā)明專利作為無形資產(chǎn)入股成立了北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司，建立了完整的SiC晶體生長和加工線，克服了規(guī)模生產(chǎn)中晶體生長和加工的重復(fù)性和穩(wěn)定性等工程問題，形成了年產(chǎn)3萬片SiC晶片的產(chǎn)能。已向國內(nèi)用戶批量供應(yīng)SiC晶片，打破了國外禁運，晶片產(chǎn)品還出口到歐、美、日等20多個國家和地區(qū)，產(chǎn)品具有很強的市場競爭力。

2-4英寸N型4H-SiC晶片

第三代晶體生長爐

SiC磁性起源研究

電子同時具有電荷和自旋兩種屬性，半導(dǎo)體器件利用了電子的電荷屬性，大容量信息存儲則是基于電子的自旋屬性。稀磁半導(dǎo)體為我們提供了同時利用電子的電荷屬性和自旋屬性的機會，有望帶來信息技術(shù)的重大變革。近年來，通過3d過渡族元素?fù)诫s制備具有室溫鐵磁性寬禁帶半導(dǎo)體的研究取得了很大的進展，但其磁性的起源一直存在爭議。有些過渡族元素?fù)诫s的寬禁帶半導(dǎo)體的磁性被認(rèn)為源于第二相或磁性元素在基體中的偏聚，而并非本征屬性。近期，越來越多的證據(jù)表明磁性元素并不是導(dǎo)致本征磁性的唯一原因，缺陷在磁性引入中的作用逐漸被人們所認(rèn)識。

研究組近年來一直致力于寬禁帶半導(dǎo)體磁性起源問題的研究。前期的工作表明，僅考慮磁性元素Mn的摻雜不足以解釋SiC:Mn所表現(xiàn)出的磁性[Appl.Phys.Lett.94,102508(2009)]。之后，通過摻雜非磁性元素Al在SiC中觀察到了自旋玻璃特性[J.Am.Chem.Soc.131,1376(2009)]。X-射線衍射和Raman測試表明，獲得的樣品是結(jié)晶良好的4H-SiC單相。研究組與相關(guān)單位合作，對中子輻照SiC單晶的磁性開展了深入研究，從實驗和理論上證明了雙空位導(dǎo)致磁性，首次在實驗上給出了直接證據(jù)，為通過缺陷工程調(diào)控寬禁帶半導(dǎo)體的磁性提供了實驗基礎(chǔ)，相應(yīng)結(jié)果發(fā)表在Phys.Rev.Lett.106,087205(2011)上。

SiC襯底上外延石墨烯及其性能研究

石墨烯是由單層sp2碳原子組成的六方點陣蜂巢狀二維結(jié)構(gòu)，是繼碳納米管、富勒烯之后的又一重大發(fā)現(xiàn)。石墨烯呈現(xiàn)出新奇的物理特性：載流子是一種相對論粒子，遵循狄拉克方程；零能隙，可以通過摻雜或幾何構(gòu)型調(diào)控使其表現(xiàn)為金屬或半導(dǎo)體特性；奇特的量子霍爾效應(yīng)，其室溫載流子遷移率達(dá)到15000cm2 V-1 s-1，而且遷移率幾乎與溫度無關(guān)。對石墨烯本征特性的深入研究，有可能揭示新的物理現(xiàn)象并發(fā)現(xiàn)新的物理性質(zhì)，并為驗證一些物理規(guī)律提供實驗載體和途徑。相關(guān)研究結(jié)果對凝聚態(tài)物理的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義，并可能蘊含重大應(yīng)用前景。

自2009年以來，研究組開展了在SiC襯底上生長石墨烯材料及其特性的研究，發(fā)展了兩種在SiC襯底上生長石墨烯的新技術(shù)(已申請國家發(fā)明專利3項)，并對所制備石墨烯的物理特性(結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)變、均勻性、非諧聲子效應(yīng)和場發(fā)射等)進行了研究，取得了初步的結(jié)果。

資料來源：功能晶體研究與應(yīng)用中心官網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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