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                                                                  澳门赌博网
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                                                                  關於2019年度國家科學技術獎申報項目“寬禁帶半導體界面自由能調控基礎研究及其在單晶中的應用”的公示
                                                                  更新日期:2019-01-15  

                                                                  根據《國家科學技術獎勵工作辦公室關於2019年度國家科學技術獎提名工作的通知》(國科獎字〔201841號)的規定和要求,現將现金澳门赌博网福建物質結構研究所擬申報2019年度國家科學技術獎項目“寬禁帶半導體界面自由能調控基礎研究及其在單晶中的應用”予以公示 ,任何單位和個人若對擬申報的項目有異議,可在公示之日起7個自然日內以書面形式向所科學技術處提出。異議應當簽署真實姓名或加蓋單位公章,並提供必要的證據材料 ,以便於覈實查證 ,匿名及逾期異議不予受理。

                                                                  聯繫人:陳白泉

                                                                  聯繫電話:86-0591-63173796

                                                                  聯繫地址:福建省福州市楊橋西路155

                                                                  现金澳门赌博网福建物質結構研究所科學技術處

                                                                  郵編:350002

                                                                                                                                                                                           科學技術處

                                                                                                                                                                                       2019115


                                                                  附件:

                                                                  公示內容

                                                                  一、項目名稱:寬禁帶半導體界面自由能調控基礎研究及其在單晶中的應用

                                                                  二、提名者:

                                                                  專家姓名

                                                                  工作單位

                                                                  職稱

                                                                  學科專業

                                                                  郝躍

                                                                  西安電子科技大學

                                                                  教授

                                                                  半導體技術

                                                                  施毅

                                                                  南京大學

                                                                  教授

                                                                  半導體技術

                                                                  李京波

                                                                  中國科學院半導體研究所

                                                                  研究員

                                                                  凝聚態物理學

                                                                  三、提名意見:

                                                                  郝躍禁帶半導體是重要的國家戰略性電子材料 ,是固態光源和電力電子、微波射頻器件的基礎和核心  。不同於傳統的窄禁帶半導體(Si ,GaAs等),目前尚沒有適合的熱、動力學理論來指導寬禁帶半導晶體高效生長,雜質排除和載流子調控 。項目完成人經過多年的晶體生長熱、動力學基礎科學研究:1)發現在強固-液相互作用下,半導體界面自由能不同於真空條件下的表面自由能 ,可被調控爲負值。這一發現可用於化解半導體納米結構穩定存在的基本科學問題 。2)發現如何形成低能量界面現象 ,有利於實現寬禁帶半導體材料所需特殊雜質排除過程。其原理爲:雜質界面的化學勢低於雜質在晶體本體的化學勢  ,就可形成原來不可排除晶格的固溶型雜質向界面處富集  。在這種熱力學條件下進行晶體生長有利於提高結晶質量 ,從而實現載流子的高遷移率 。同時 ,在保證晶格完整情況下 ,進一步通過調整晶格中陽離子的微小失衡,實現載流子精確調控,所獲材料載流子濃度纔有足夠的熱和化學穩定性 。將上述科學發現成功應用於CuIZnOAlN單晶生長 ,不僅首次實現禁帶> 3eVpCuI單晶,而且實現迄今最高遷移率(236 cm2/Vs)nZnO單晶,優於美日產品;重摻ZnO (1.07×1019/cm3)實現2英寸晶圓批量生產,打破發達國家的壟斷,成功應用於反衝質子超快診斷、快中子檢測等多項重大國防任務。該項目的科學發現對寬禁帶半導體生長、載流子調控和應用拓展具有一定的普適性意義 。提名該項目爲國家自然科學獎二等獎。

                                                                  施毅:該項目圍繞半導體界面自由能的科學問題開展了原創研究 。主要體現在:首次發現並證實了超強半導體-液體間相互作用可調控其界面化學勢低於晶體本體化學勢 ,學術界稱爲“負界面自由能”理論 ,且這一理論提出的公式在國際重要學術刊物上得到引用 。基於上述發現,將其擴展至寬禁帶半導體材料雜質排雜領域有十分重要的意義。通常寬禁帶半導體材料不像傳統半導體材料容易實現高結晶質量、高遷移率和載流子濃度的自由調控,本質原因在於對寬禁帶半導體材料研究較爲缺失,找不到普適性方法來排除對高遷移率和載流子調控有重要影響的雜質缺陷的形成。本項目完成人提出利用低能界面積聚雜質的效應來進行寬禁帶半導體材料的可控排雜,從而實現其高結晶質量、高遷移率和載流子調控 。該項目形成的理論和成果成功應用於指導nZnO單晶、iAlN單晶和pCuI單晶的生長 。實現禁帶> 3eVpCuI單晶,而且實現迄今最高遷移率(236 cm2/Vs)nZnO單晶,優於美日產品 。其中實現的完全自主知識產權的2英寸ZnO單晶的批量生長 ,打破了發達國家對大尺寸ZnO單晶的壟斷 ,在多種重大戰略項目上發揮了不可或缺的作用,爲我國下一代核診斷技術提供了關鍵核心材料。項目的8篇代表性論文被多個科學院院士引用 ,得到了國內外專家學者的高度認可。鑑於該項目在寬禁帶半導體生長理論方面取得的重要突破 ,我鄭重提名該項目爲國家自然科學獎二等獎 。

                                                                  李京波:該項目屬於半導體材料領域,通過圍繞半導體界面自由能的科學問題開展了原創研究 ,取得了一系列原創性的成果:(1)首次發現並證實了超強半導體-液體相互作用可調控其界面化學勢低於晶體本體化學勢  ;(2)基於上述發現,提出利用低能界面積聚雜質的效應來進行寬禁帶半導體材料的可控排雜 ,從而實現其高結晶質量、高遷移率和載流子調控 。除此之外,在此理論基礎的指導下 ,該項目成員製備出了n型載流子濃度高達1019/cm32英寸氧化鋅(ZnO)單晶 ,打破了發達國家對大尺寸ZnO單晶的壟斷 ,解決了核探測系統研究中的關鍵瓶頸問題  。該項目研究理論成果的8篇核心論文發表在國際權威期刊上,得到國內外大量知名學者引用並正面評價  ,對於發展我國具有自主知識產權的寬禁帶半導體產業具有重要的理論指導意義 。重要的是 ,項目取得的相關應用成果在西安核物理研究所和北京核數據重點實驗室等單位獲得應用 ,完成了國家重點任務,效果顯著 。提名該項目爲國家自然科學獎二等獎。

                                                                  四、項目簡介:

                                                                  第三代寬禁帶半導體材料是新一代固態光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯” 。不同於第一、二代半導體 ,學術界目前尚沒有適合的熱、動力學理論來指導第三代半導體晶體生長及其載流子調控。本項目針對寬禁帶半導體對雜質和缺陷去除的苛刻需求,圍繞半導體固-液界面自由能的科學問題開展原創研究 。其特點是:首先認識到寬禁帶半導體晶體通過固-液界面生長的熱力學行爲與氣-固界面生長不同,必須考慮界面強相互作用的影響 ,研究了固-液強相互作用下界面能的變化規律 ,首次發現並證實“負界面自由能”的存在 ,即界面化學勢低於晶體本體化學勢的反常熱力學現象。進一步提出“調控雜質在界面化的學勢來排雜實現高質量晶體生長”的理論 ,併成功應用於CuIZnOAlN單晶的生長和載流子調控,不僅首次實現禁帶> 3eVpCuI單晶,而且實現迄今最高遷移率(236 cm2/Vs)nZnO單晶,優於美日產品 ;重摻ZnO (1.07×1019/cm3)實現2英寸晶圓批量生產 ,打破發達國家的壟斷 ,成功應用於反衝質子超快診斷、快中子檢測等多項重大國防任務 。主要科學發現點如下:

                                                                  1. 首次發現半導體-液體間超強相互作用可導致界面化學勢既低於晶體本體也低於溶液:經典熱力學理論認爲,真空條件下固體表面能爲正值且較大 ,而液體環境中固體“表面”變爲“界面”,固-液相互作用可使界面能減小 ,但仍爲正值。而該項目研究表明,界面自由能在一定條件下可被調控爲負值 ,使其界面化學勢既低於晶體本體也低於溶液 。所提出的界面能與晶體形貌依賴的數學模型在被國外學者用於解釋地質、金屬材料領域的基礎科學問題。

                                                                  2. 提出利用低能界面積聚雜質的方法來進行寬禁帶半導體的可控排雜,從而實現其高結晶質量、高遷移率和載流子濃度調控:發現人爲創造條件可以使得雜質在固-液界面處化學勢降低,這一思路爲生長優質半導體材料提供了原創性理論 。基於以上原理 ,該項目成功獲得了高遷、高穩、載流子濃度部分可調的高質量寬禁帶半導體體單晶 。其中除獲得前述的主要成果外  ,還可得到超高電阻率的ZnO單晶 ,並依託其製備出了可在10^7 V/cm高電場強下工作的X射線探測器件,並在國家重要任務中進行試用。利用類似思路所獲得的AlN高結晶質量微米晶,製成首個快響應的真空紫外探測器 。

                                                                  項目研究期間 ,8篇代表性論文發表在國際權威期刊上 ,科學發現點得到廣泛認可 ,被不同領域學者用於解釋多個基礎科學問題 。例如  ,西班牙J. M. García-Ruiz教授在論文Science, 2012, 69, 336中,5次引用“負界面自由能”科學點來解釋火星上存在燒石膏相CaSO4的地質問題 ,並完全使用該項目提出的模型。美國T. Frolov教授在Phy. Rev. Lett. 2010 104, 055701文中承認本項目通過實驗先於他證實負界面能的存在,並在其理論計算中提出與本項目完全一致的數學描述。黃維、洪茂椿、李亞棟、江雷院士們等都在發表的高水平論文中,利用該項目的科學發現點來解釋各自的實驗結果  。

                                                                  五、客觀評價:

                                                                  1、國內外同行評價意見:

                                                                  1)科學發現點一的客觀評價:

                                                                  西班牙格拉納達大學J. M. García-Ruiz教授Science, 2012, 336, 69附件2-1)上的工作:認爲CaSO4的燒石膏塊材相有“負界面能”【applying a surface areadependent surface enthalpy and negative surface energy for bulk bassanite】,並解釋爲什麼這一相能先於石膏相在低水活性的火星上形成 。論文中用來解釋燒石膏相表面能變化的曲線 ,是使用代表性論文1理論 。

                                                                  美國 George Mason 大學T. Frolov教授在Phy. Rev. Lett.2010,104, 055701(附件2-2文中用理論計算來分析項目提出的負界面自由能模型中參數的物理意義 。【nanosize sheets of ZnS are found to be favored over bulk ZnS when processed in appropriate chemical environments

                                                                  清華大學李亞棟院士課題組論文J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 16423(附件2-3)代表性論文1中提出的“溶液中過量的油酸導致了化學勢極大的絕對值 ,從而“表面能爲負”【The excess of oleic acid in the solution resulted in a tremendous absolute value of μads, which led to γ < 0】,推導出了CdSe納米晶體的特定表面積隨反應溫度的增加而減小 ,很好的與實驗結果吻合。

                                                                  西北工業大學黃維院士課題組論文Nanoscale, 2013, 5, 11928(附件6-1)引用代表性論文1的分析機理、結果【The crystal growth mainly occurs via a multistep crystallographic specfically oriented attachment】,來解釋實驗中稀土納米棒熱力學生長機理。

                                                                  中國科學院福建澳门赌博网洪茂椿院士課題組論文J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 15764 (附件2-4)對代表性論文2給予了正面評價:提供了一條由高活性和穩定性的無機納米粒子構建的納米框架結構的思路inorganic materials have shown us a feasible strategy:fabrication of hierarchical nano-architectures which retain the high activity of nanoparticles but possess a stability beyond nanoparticles】。

                                                                  中國科學院江雷院士課題組論文J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 11454(附件2-5)中引用了代表性論文2中的熱力學機理解釋了表面活性劑可以改變不同晶面的表面自由能 ,【surfactants can change the surface free-energy of different crystal faces, leading to their preferential growth or elimination】導致不同晶面的優先增長或消除,進而探討了產物的形貌演化。

                                                                  1. 科學發現點二的客觀評價:

                                                                  韓國成均館大學的Jeon Geon Han教授等在J. of Appl. Phys.,2018 ,123, 205107(附件2-6)中對代表性論文6的工作進行了高達17次的引用。反覆用代表性論文6提出的載流子多步驟熱動力學調控機制證實了他們的試驗結果 。在該研究論文結尾處,Jeon Geon Han教授等更是特別指出了該載流子多步驟熱動力學調控機制下製備的AZO薄膜擁有最低的電阻【Notably, Zhan et al.24 have reported the lowest resistivity of 200 nm thick mag netron sputtered AZO films as 1.45104 X cm with the post-annealing by Zn vapor】 。

                                                                  江蘇大學王明鬆教授在Mater. Chem. Phys., 2012 ,134,845(附件2-7中對代表性論文6的工作給予了高度評價:製備的AZO薄膜克服了“在潮溼空氣中,偶氮薄膜的電阻率隨着曝光時間的增加而增加”【obtained stable AZO thin films with high mobility via post-annealing of insulating AZO in zinc vapor】這一侷限性 ,提出了製備高遷移率的穩定偶氮薄膜的有效方法。

                                                                  香港科技大學湯子康教授在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014,6 (16),14152(附件2-8中評價了代表性論文8MgZnO 日盲紫外探測器的發展所做出的貢獻,即通過優化器件結構的設計和改進材料質量 ,大大增強了器件的響應度【the peak broadening would surly weaken the response suppression in the solar blind range, leading to a rejection ratio (responsivity at peak/respensivity at 280 nm) as low as 4.7. A later】 。

                                                                  2、用戶評價證明

                                                                  基於該項目理論研究下研發的ZnO單晶已應用於西北核工業研究所、核數據重點實驗室等國內研究所、加州理工、首爾大學等世界知名研究機構的科學研究中  ,並獲得這些部門的高度評價。

                                                                  西北核工業研究所表示(附件5-1):黃豐教授團隊研發的大面積ZnO晶體,以優異的發光效率和均勻性,在脈衝輻射探測及成像領域得到了深入的應用。該晶體具有遠優於其他無機閃爍體的納秒級超快時間響應特性,突破了PIN探測器、SiC探測器等傳統測量系統數十納秒時間響應的侷限。該單位應用ZnO晶體實現了具有納秒級時間響應的閃爍型反衝質子靶室中子測量系統的構建 ,有望實現強束流脈衝中子時間、強度的精確測量 。

                                                                  核數據重點實驗室表示(附件5-2):中山大學黃豐教授團隊研製的高性能ZnO晶體具有良好的時間和發光性能,目前已用於快中子爆炸物檢測的伴隨粒子探測系統中,解決了在高分辨高計數率情況下的帶電粒子探測關鍵難題 ,具有較廣的應用範圍。

                                                                  六、代表性論文專著目錄:

                                                                  序號

                                                                  論文專著

                                                                  名稱/刊名

                                                                  /作者

                                                                  年卷頁碼

                                                                  xxxx

                                                                  xx頁)

                                                                  發表時間(年月日)

                                                                  通訊作者(含共同)

                                                                  第一作者(含共同)

                                                                  SCI

                                                                  他引次數

                                                                  他引總次數

                                                                  論文署名單位是否包含國外單位

                                                                  1

                                                                  A Thermodynamically Stable Nanophase Material/ JOURNAL of AMERICAN CHEMICAL SOCIETY/ Zhang Lin, Benjamin Gilbert, Quanlin Liu ,Guoqiang Ren, Feng Huang*

                                                                  20061286126-6131

                                                                  2006.04.18

                                                                  黃豐

                                                                  林璋

                                                                  31

                                                                  34







                                                                  2

                                                                  Evolution of ZnS Nanostructure Morphology under Interfacial Free-Energy Control/ CHEMISTRY of MATERIALS / Guoqiang Ren, Zhang Lin, Benjamin Gilbert, Jing Zhang, Feng Huang*, and Jingkui Liang

                                                                  2008202438–2443

                                                                  2008.03.07

                                                                  黃豐

                                                                  任國強

                                                                  25

                                                                  29









                                                                  3

                                                                  Low‐Dimensional Structure Vacuum‐Ultraviolet‐Sensitive (λ < 200 nm) Photodetector with Fast‐Response Speed Based on High‐Quality AlN Micro/Nanowire /ADVANCED MATERIALS / Wei Zheng, Feng Huang*, Ruisheng Zheng, Honglei Wu


                                                                  201527 3921-3927

                                                                  2015.07.15

                                                                  黃豐

                                                                  鄭偉

                                                                  24

                                                                  30









                                                                  4

                                                                  Research progress in ZnO single-crystal: growth, scientific understanding, and device applications/ CHINESE SCIENCE BULLETIN / Feng Huang*, Zhang Lin, Wenwen Lin, Jiye Zhang, Kai Ding, Yonghao Wang, Qinghong Zheng, Zhibing Zhan, Fengbo Yan, Dagui Chen, PeiwenLv, Xian Wang

                                                                  2014591235–1250

                                                                  2014.02.22

                                                                  黃豐

                                                                  黃豐

                                                                  8

                                                                  19

















                                                                  5

                                                                  Growth Strategy and Physical Properties of the High Mobility P-Type
                                                                  CuI Crystal /
                                                                  CRYSTAL GROWTH & DESIGN /
                                                                  Dagui Chen, Yongjing Wang, Zhang Lin, Jiakui Huang, XianZhi Chen,
                                                                  Danmei Pan, and Feng Huang*


                                                                  2010102057-2060

                                                                  2010.04.12

                                                                  黃豐

                                                                  陳達貴

                                                                  56

                                                                  72











                                                                  6

                                                                  Strategy for Preparing Al-Doped ZnO Thin Film with High Mobility and High Stability/ CRYSTAL GROWTH & DESIGN / Zhibing Zhan, Jiye Zhang, Qinghong Zheng, Danmei Pan, Jin Huang, Feng Huang* and Zhang Lin*

                                                                  20111121–25

                                                                  2010.12.08

                                                                  黃豐,林璋

                                                                  湛智兵

                                                                  36

                                                                  42













                                                                  7

                                                                  Aluminum doping induced columnar growth of homoepitaxial ZnO films by metalorganic chemical vapor deposition /APPLIED PHYSICS LETTERS/ Kai Ding, QichangHu,X Wang, Jiye Zhang, Wenwen Lin, ChenshengLin,Feng Huang*


                                                                  2013103 141907

                                                                  2013.10.01

                                                                  黃豐

                                                                  丁凱

                                                                  2

                                                                  3







                                                                  8

                                                                  MgZnO-based metal-semiconductor-metal solar-blind photodetectors on ZnO substrates /APPLIED PHYSICS LETTERS / Qinghong Zheng, Feng Huang*, Kai Ding, Jin Huang, Dagui Chen, Zhibing Zhan, and Zhang Lin

                                                                  201198221112

                                                                  2011.06.03

                                                                  黃豐

                                                                  鄭清洪

                                                                  49

                                                                  69

                                                                  合計

                                                                  231

                                                                  298


                                                                  1. 主要完成人情況:

                                                                  姓名

                                                                  排名

                                                                  行政職務

                                                                  技術職稱

                                                                  工作單位

                                                                  完成單位

                                                                  對本項目貢獻

                                                                  黃豐

                                                                  1

                                                                  副院長

                                                                  教授

                                                                  中山大學

                                                                  现金澳门赌博网福建物質結構研究所

                                                                  作爲項目第一完成人,是本項目總負責人 ,負責項目總體研究方案的設計和實施,是重要科學發現一、二主要學術思想的提出者制定了總體研究方案 。是第4篇代表性論文的第一和通訊作者 ,剩餘7篇代表性論文的通訊作者。在該項研究中的工作量佔本人工作量的100%。

                                                                  鄭偉

                                                                  2

                                                                  /

                                                                  副教授

                                                                  中山大學

                                                                  中山大學

                                                                  作爲項目的第二完成人 ,在項目研究過程中,採用熱動力學手段 ,合成特定尺寸的AlN納米材料,並首次應用在真空紫外光探測器上 。對重要科學發現二有重要貢獻,是代表性論文3的第一作者 。在該項研究中的工作量佔本人工作量的80%。

                                                                  湛智兵

                                                                  3

                                                                  /

                                                                  /

                                                                  University of Rochester美國羅徹斯特大學

                                                                  现金澳门赌博网福建物質結構研究所

                                                                  作爲項目的第三完成人 ,在項目研究過程中 ,設計製備出了高遷移率高熱穩定性的Al摻雜的ZnO (AZO)薄膜 ,並深入研究了摻雜元素的價態在不同的氧化氛圍、相應的局域晶格情況及與半導體性能間的關聯 。對重要科學發現二有創新性貢獻 ,是代表性論文6的第一作者 。在該項研究中的工作量佔本人工作量的80%。

                                                                  陳達貴

                                                                  4

                                                                  副院長

                                                                  教授

                                                                  福建江夏學院

                                                                  现金澳门赌博网福建物質結構研究所

                                                                  作爲項目的第四完成人 ,在項目研究過程中,討了水熱礦化法制備生長習性和雜質濃度可控、高遷移率、寬禁帶的p型碘化銅(CuI)單晶 。對重要科學發現二有重要貢獻,是代表性論文5的第一作者 。在該項研究中的工作量佔本人工作量的80%。

                                                                  八、完成人合作關係說明:

                                                                  自項目開展以來,第一完成人與其他幾位完成人圍繞本項目相關方向分別開展了深入合作研究工作 ,並取得了大量合作研究成果 。

                                                                  該項目第二完成人鄭偉副教授在2014年間參與該項目  。對科學發現點2有重要貢獻。合成的AlN單晶用於真空紫外光探測器 ,首次將低維納米結構半導體拓展至真空紫外波段的探測。是代表論文3的第一作者 。

                                                                  該項目第三完成人湛智兵博士是第一完成人黃豐教授的博士生 。湛智兵博士在20069月到20117月參與該項目,作爲代表論文6的第一作者和代表論文8的第六作者 ,湛智兵博士對發現點2有重要貢獻。他和黃豐教授一起製備出了高遷移率高熱穩定性的Al摻雜的ZnO (AZO)薄膜 ,深入研究了摻雜元素的價態在不同的氧化氛圍、相應的局域晶格情況及與半導體性能間的關聯;爲AZO透明導電薄膜取代昂貴的ITO導電薄膜鋪平了道路 。

                                                                  該項目第四完成人陳達貴教授在20061-20137月期間參與該項目,參與科學發現點2的研究 ,特別是在利用表面自由能調控來實現寬禁帶半導體nZnO的和pCuI單晶體的可控生長的研究中具有一定貢獻,是代表論文5的第一作者,代表論文8的第五作者,代表論文4的第十作者 。