超高压等极端条件下物质的结构、性质和新型功能材料

超高压等极端条件下物质的结构、性质和新型功能材料 吉林大学“十五”“211”重点学科建设项目论证报告 超高压等极端条件下物质的结构、 性质和新型功能材料 一、项目定义 项目名称:超高压等极端条件下物质的结构、性质和新型 功能材料 项目领域:基础科学 涉及的主要学科:凝聚态物理(国家重点学科)、原子与 分子物理(国家重点学科) 项目主要研究方向: ? 超高压等极端条件下凝聚态物质的结构与性质 ? 超硬和多功能新材料的高温高压合成 ? 薄膜材料和其他特殊性能新材料的制备与性质 ? 极端条件下的原子分子物理 ? 原子分子团簇和生物分子的结构及光激发动力学 二、 项目背景 1(项目建设意义 物质在几万至上百万大气压与高温、低温、强磁场、强激光场、超快过程等相结合的特殊环境下会出现许多新 25 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 的物理现象，从而提出许多新的物理问题。通过超高压等极端条件下物质结构与性质的研究，不仅可以深入认识现有的各种物理现象和规律，揭示在常规条件无法获得的物质科学的新现象和新规律，发展新的理论，而且能为促进本学科和相关学科的发展提供重要的实验与理论基础。 在高压下元素可以具有异于常规元素周期表的价态，因而构成的物质将呈现新的结构和性能。压力能增强物质内部电子关联、电子-声子相互作用，改变电子自旋的取向，为凝聚态物理理论模型的建立、验证和发展提供了崭新的依据。高压下物质的电子共有化的趋势导致分子键、离子键或共价键的金属化过程，包含了大量未知的物理内容。原子分子是决定物质结构和性能的最基本单元，从原子分子层次上阐明基本物理定律，认识物质结构的规律，直接为相关学科的发展提供理论依据、实验方法以及各种各样的原子分子信息和基本数据。高压对生物物质结构、行为影响的研究，会促进人类对无机-有机-生命合成过程和生命起源的认识。光与生物分子相互作用诱导产生生物体系的一系列重要原初过程，在超快时间尺度上认识这种相互作用和过程对生物科学十分必要。现在实验室中可以模拟地球内部的高温高压环境，这大大拓宽了人类对地球构造及内部物质生成和性质的认识能力。 超高压等极端条件下物质结构与性质的研究直接与 26 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 国民经济发展和国家安全涉及的许多重要问题相关，高技术的新概念新构思，在相当程度上依赖于这些领域的创新性的发展和突破。高温、高密度、强场下的原子分子状态和过程的研究，对于能源、空间及武器的研究与发展都有十分重要的意义。在极端条件下的物质结构与性质的研究，还可以为模拟核爆炸，飞行器再入大气层，穿甲破甲过程，强激光、高速粒子流作用下材料的破坏机制与防护等国防建设相关的问题提供重要的物理依据。利用高压等极端条件揭示物质新的亚稳相，探讨常规条件下获取非平衡态物质的途径，正在促进超硬材料、功能材料、其他新材料和新化合物的合成新技术的发展。高压对稀土材料的特殊原子壳层结构和电、磁、热、声、光的交叉效应的影响的研究，为新一代多功能、高性能材料的制备提供了源泉。高温高压下合成的人造金刚石和立方氮化硼等超硬材料已形成了超硬材料产业，而高品质金刚石膜、立方氮化硼膜等薄膜材料研究正在向多功能应用方向发展。 2(国际水平 美国高压研究中心的华盛顿,卡内基研究院是多项超高压新技术的发源地，拥有多种先进的高压原位测量系统，已获得了550GPa的最高压力、100GPa的静水压和5000K的高温，在超高压实验与理论研究方面做出许多开创性工作，处于国际领先地位。日本在大腔体超高压容器 27 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 和高温高压下新材料合成研究方面处于国际领先水平。 在金刚石膜研究方面，美国贝尔实验室、诺顿公司，日本无机材料研究所和德国夫琅和费薄膜与表面技术研究所等单位处于国际领先地位。在立方氮化硼薄膜研究方面，日本近2年研究进展最快，已制备出厚度大于1m的附着力好的高结晶膜，为立方氮化硼薄膜的应用创造了条件。 在高温高压合成金刚石和立方氮化硼研究方面，美国G.E. 公司和英国De Beers公司是目前国际上研究与生产实力最强的垄断集团，De Beer公司合成出目前世界上最大、无色透明金刚石单晶(16mm尺寸、重量25克拉)。日本无机材料研究所、筑波大学在高纯宝石级大颗粒金刚石合成方面居国际领先。日本合成出目前世界上最大立方氮化硼单晶(尺寸为3mm)，并在实验室制成了高温p-n结。 原子分子物理学当前正处于新的发展高峰时期，在原子分子结构、碰撞动力学、与辐射相互作用和检验各种基本物理定律等方面不断取得令人瞩目的重大进展。当前原子和分子物理学的许多前沿研究课题(例如高激发态、高离化态及其他新体系的研究，原子分子团簇研究，强场中原子分子的研究等等)不仅具有重大的科学意义，而且具有很强的应用背景。因此美国、西欧、日本及俄罗斯等国 28 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 家对原子分子物理学都十分重视。美国主要研究不仅在著名大学而且很大程度集中在能源部、国防部和军方支持的实验室。 3(国内水平 国内利用金刚石压砧进行超高压下凝聚态物质的结构、性质和相互作用的研究，主要集中在吉林大学和科学院物理所、高能物理所等少数几个单位。吉林大学超硬材料国家重点实验室是该研究领域实力最强的单位之一，并做出了一些具有特色的研究工作，发现了高压下红宝石荧光的猝灭压力与入射光波长的关系;在纳米晶高压相变研究中，证实了纳米晶表面存在应力;在稀土离子高压光谱研究中发现了晶体场强度变化的压致反常新效应;固态氢掺锂体系的理论计算结果预言了固态氢和氘分子晶体高温高压相的存在;用纳米金刚石微粉代替金属作为高压封垫材料，解决了100GPa下激光加热中的公认的难题;在高温高压下下稀土固体物理、高压灭菌、病毒的灭活及免疫原性等研究方面取得一些重要进展。 关于极端条件下的原子与分子物理研究国内主要集中在吉林大学、科学院武汉物理与数学研究所、科学院物理所、四川大学、清华大学以及中国工程物理研究院等单位。吉林大学在此方面开展工作较早，在原子分子结构计算、激发态动力学研究、强场原子物理、电子与原子分子 29 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 碰撞、原子相干等方面做出过一些有特色的工作，在光与原子分子相互作用、高剥离、高精度原子分子数据计算、微观量子体系辛算法、电子-原子碰撞理论等方面都取得一些重要进展。目前具有良好的实验条件(包括飞秒激光在内的光谱、质谱和电子谱测量装置)，并在团簇和生物分子研究方面开展了初步工作。然而，由于种种原因，我国原子分子物理学与国际上和国内其他物理学分支学科相比，一直是比较薄弱，远远不能适应我国科技发展和国民经济、国防建设需要的问题亟待解决。 在金刚石、立方氮化硼和其它功能材料的高温高压合成研究方面，国内已有许多科研单位和大学开展这方面的研究，已有600多家超硬材料生产企业。吉林大学超硬材料国家重点实验室对国产六面顶压机进行改造，建立了高精度控温控压系统，成功地合成出Φ4.5mm大颗粒金刚石，打破了以往认为国产六面顶压机不能合成大颗粒宝石级金刚石的观念，填补了国内空白。该系统为大颗粒宝石级、高品质金刚石单晶和其它大尺寸单晶材料的制备提供了可靠的实验设备保障。在国内率先合成出强度高、色泽均匀的琥珀色立方氮化硼单晶，其品质达到具有国际先进水平的美国G. E. 公司标准。该研究成果在黄河集团推广后取得显著经济效益。国内在大颗粒立方氮化硼单晶研究方面，除吉林大学合成出毫米级立方氮化硼单晶外，未见 30 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 任何有关报道，尚属空白。我们合成出的适合功能器件用的高纯片状立方氮化硼单晶，达到国际先进水平。立方氮化硼单晶-金刚石薄膜异质p-n结的制备方法获国家发明专利。 在金刚石薄膜材料研究方面，在国家“863”和自然科学基金委的支持下，已有吉林大学、北京人工晶体所等二十几个单位开展此项研究。吉林大学超硬材料国家重点实验室从“七五”到“九五”期间课题组承担“863”金刚石膜的制备及应用研究项目，建立和发展了直流热阴极PCVD等金刚石膜的多种制备方法和制备技术，初步解决和建立了金刚石膜热沉，SOD结构抗辐射耐高温芯片，用金刚石膜的MCM封装基板制作及相关关键技术，和有关单位合作在它们的应用研究中取得多项成果。 我国在超高压等极端条件下物质的结构与性质和新型功能材料研究领域，近二十年才有了较大的进步，在个别方面我们也创造了令国际瞩目的业绩，但从整体上讲，与先进国家的差距还很大，特别在整体研究水平上，我们还处于明显落后的地位。与国外研究水平的差距主要表现在:? 知识储备严重不足，使得在知识集成化研究和创新性研究方面明显不足;? 虽然我们在某些基础性研究方面具有一定深度，但在基础研究和应用研究方面学科交叉和融合的深度与广度均大大落后于国外;? 明显缺乏 31 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 具有广阔基础与综合能力的研究与教学队伍;? 科研经费投入不足，基础研究设备缺乏，且特别对大量极端条件下的物质结构性质研究、材料设计合成制备及物理化学性质测试方面的设备，极不适应当今科研日新月异发展的需要。 三、项目现有基础 本项目建设依托单位有吉林大学凝聚态物理国家重点学科和原子与分子物理国家重点学科、原子与分子物理研究所、超硬材料国家重点实验室、吉林大学高压科学研究中心以及吉林大学光物理、材料科学、地学、生物学科和中科院长春光学机械与物理研究所、中科院长春应用化学研究所等相关研究群体。吉林大学凝聚态物理国家重点学科和原子分子物理国家重点学科具有一支以中科院院士和在本学科内学术造诣高、有一定国际影响的教授为学术带头人，以一大批有在国外工作经历的年轻博士为骨干的充满活力、知识结构合理的研究队伍。本项目现有教授44人，副教授27人，其中中科院院士1人，博士生指导教师28人，国家杰出青年基金获得者1人，教育部跨世纪优秀人才2人，长江学者奖励计划特聘教授1人。多年来，已培养本科生2000余人，博士研究生80余人，硕士研究生420余人，出站博士后研究人员13人，在所培养 32 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 的研究生中，已有32人为博士生导师， 3人获国家杰出青年基金，2人被评为国家教委跨世纪人才，长江学者奖励计划特聘教授和吉林省特聘教授各1人，2人获国际高压科学与技术协会颁发的优秀学生奖。 本学科具备良好的科研条件，“九五”期间承担国家和部省级科研课题100余项。目前承担“973”项目，“863”项目等国家和部省级科研项目84项。“九五”期间科研成果获国家和省部级奖6项。获得专利18项，发表学术论文600余篇。 经过近十年的建设，本项目已具备开展研究的基本仪器设备条件，拥有国内较齐全的专业图书资料，在长期科学研究和教学实践中积累形成了一些具有自己特色的研究方向和一支优秀的研究队伍。另外，吉林大学建有超硬材料和磁性材料中试基地，吉林大学黄河科技研究与开发研究中心、无锡威孚吉林大学新材料开发研究所、吉林大学中山金刚石公司，这些都为本项目尽快将科研成果转向产业化创造了良好条件。 四、项目建设目标和主要建设内容 (一)项目建设目标 经过本项目的建设，将形成我国高压等极端条件下的物理科学学科，具有参与本领域国际发展前沿和开展重大 33 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 创造性科学研究工作的能力的，具有承担国家重大科研攻关任务和重大科研项目的能力和条件，推动学科发展;形成自主研究与开发新型超硬材料及其它新型功能材料的能力和指导科研成果的应用及产业化的能力，为国民经济建设做出重要贡献。进一步凝练学科方向，加强与其他学科的交叉和融合，带动周边相关学科共同实现跨越发展。在主要研究方向上达到国际先进水平，在一些研究点上达到国际领先水平。同时，培养一批理论基础雄厚、独立工作能力强的与国际水平相当的博士研究生，造就一些具有创新意识、有实力参与本学科国际学术竞争的优秀中青年学术带头人和学术骨干，形成具有一定规模的学术团队。争取在“十五”末期把本项目建设成国内一流、国际上有一定影响的的科学研究中心和高层次人才培养中心。 (二)主要建设内容 1(主要研究方向 ——超高压等极端条件下凝聚态物质的结构与性质。发展新一代金刚石压砧集成化超高压实验新技术，建立新型金刚石压砧高压、低温、强磁场原位测量系统，在超高压实验方法上做出创新性工作;在超高压对纳米材料的结构与性质影响，压致能级调谐和结相变的发光光谱特征规律，分子晶体压致金属化相变，高压下金属氮化物、硼化物和氮碳硼化合物的结构与性质，高压对氢等双原子分子 34 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 晶体及掺杂体系的电荷转移和电子共有化的作用，高压对低维物质的作用规律等方面取得一些原创性成果;研究高压下生物物质灭活和激活作用与其微观结构的变化关系，探索压力在医药和农作物品种的改良等方面的应用途径。 ——超硬和多功能新材料的高温高压合成。进行高温高压下大颗粒宝石级金刚石单晶，高品质工业级金刚石，优质大颗粒琥珀色立方氮化硼单晶的合成、生长机制与性质的研究。高品质工业级金刚石达到国际同类产品水平，大颗粒宝石级金刚石单晶和立方氮化硼单晶达到国际先进水平，在科研成果产业化推广方面取得重要突破。在高温高压下金属氮化物、硼化物、硼碳氮化合物、新型热电材料和信息材料的合成研究方面取得重要进展，主要成果达到国际先进水平。 ——薄膜材料及其它特殊性能的新材料的制备与性质。提高金刚石膜制备速率，高质量金刚石膜、MCM基板和热沉、SOD芯片材料研究达到国内领先，主要成果达到国际先进水平。结合我国在材料和微电子领域的“十五”目标，配合国家在上述领域的发展战略，实现金刚石膜在微电子领域的广泛应用。建立新的制备立方氮化硼薄膜的设备和方法，制备出厚度大于2m的高品质立方氮化硼薄膜，进行立方氮化硼薄膜场发射器件等应用研究。建立高电压爆炸放电合成纳米金刚石的新方法，进行不同聚 35 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 合结构的富勒烯/碳纳米管等一维复合纳米线，纳米金属-氧化物核壳复合体，新型高性能永磁体等材料的制备与性质的研究。进行非正常结构的X射线散射与分子动力学研究，为结构材料的性能预测和原子水平上的材料设计做出贡献。 ——极端条件下的原子分子物理研究。研究原子、分子以及它们的团簇的结构、运动规律、相互作用和高压、高温、高密度、强激光场等极端环境对其影响。主要集中在激光场中电子和原子、分子和团簇的碰撞过程，相干光与原子系统及固体材料的相干相互作用，高(多重)激发、高(多重)电离、高关联的相对论原子体系结构、性质、光谱等的高精度理论和高分辨实验研究，强激光辐照下原子、分子及其团簇的高能量粒子和光子的发射，与天体光谱和高温高密等离子体诊断有关的离子光谱等。力争在上述研究领域做出创新研究成果，解决一些在能源、材料、环境、航天以及武器研究方面国家急需的关键问题。 ——原子分子团簇和生物分子的结构及光激发动力学。将先进的傅立叶变换光谱技术、激光选择激发技术、光纤拉曼光谱技术、质谱技术、飞秒激光及相关谱学技术(飞秒泵浦,探测技术和时间分辨光谱技术)等实验手段和原子分子物理理论与计算方法应用到对复杂体系(主要侧重团簇和生物分子体系)的结构、性质及其相互作用的 36 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 研究。研究这些复杂体系中的单分子化学反应，能量转移，电荷转移，非局域化电子合作效应，电子激发，激子激发以及电离、解离等激发态诱导的各种重要原初过程，获得光能量在复杂体系中的转移及其诱导的超快反应等动态信息。从原子与分子物理出发，通过研究自由原子分子体系向体材料体系变化时所出现的物质构造特性，沟通与凝聚态物理和材料设计的联系，进而为纳米科学技术和新药设计理论的发展提供必要的原子分子物理基础。 2(学术队伍建设和学术交流 继续加强以青年博士为主体的学术梯队建设，重点培养35岁以下的优秀人才上，积极吸收国外留学人员回国工作或定期回国进行合作研究。建设一支60人左右的高水平学术梯队，进一步提高在学术研究中的创新能力，争取培养出5-10位在该研究领域具有国际影响的学术带头人。 在学术交流方面，除继续保持目前已有的与美国、欧洲、日本、澳大利亚等国家的大学和研究机构的合作关系外，扩大与其他国际著名大学、著名实验室的科研合作与人员互访，使本项目研究工作始终瞄准国际前沿，争取形成几个国际合作项目，在世界科技竞争中做出创造性研究成果，成为国际该领域主要研究单位之一。 37 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 3(基地条件建设 条件建设是做出高水平研究成果的重要物质基础。本项目将采取国家投资、学校支持和自筹等多种途径，引进一批必要的国外先进仪器并对现有实验设备与装置进行有计划的更新，同时根据今后发展的需要，改建和扩建一些专业研究实验室。建设高水平的具有特色的实验和理论研究中心。充实、完善现有专业研究实验室和吉林大学高压科学中心，逐步使科学研究整体条件接近国际先进水平，有特色的方面达到国际先进水平，为学术研究和人才培养提供良好的环境。 五、预期效益分析 本项目完成后，将建成国内一流水平的高层次物理学人才培养基地,完善与国际水平大体相当的专业人才培养体系。在不断提高质量的前提下，预计培养硕士生300名，博士生150名，接受博士后研究人员20人。有能力承担国家的重大科研攻关任务，具备参与国际科技合作与竞争的能力。培养5~10位在该领域具有国际影响的学术带头人。装备一批先进的仪器设备，形成具有特色的凝聚态和原子分子物理研究平台。此外，通过承担“863”计划、“973”计划、国家自然科学基金、各部委、地方政府和国防部门等项目，使本项目自身发展能力得到进一步提高。 38 吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告 六、建设项目所需经费 本项目建设资金总额为1,680万元，其中中央专项资金为960万元，自筹资金为720万元。建设经费用于购置仪器设备1,622万元，用于图书资料、学术交流等58万元。 本项目拟购的代表性仪器设备有:X光单晶—多晶衍射仪、傅立叶变换红外光谱仪、微波镀膜设备、喷射等离子体辅助离子束溅射系统、超高压装置、热性质测量系统、振动样品磁强计等。 39