副教授(研究员) 物理系

朱金龙,男,2004年浙江大学材料科学与工程系学士,2009年中科院物理研究所理学博士,当年入所任助理研究员。2010年到2013年在洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的中子散射中心从事博后研究,2014年在内华达大学拉斯维加斯分校( University of Nevada, Las Vegas )的高压卓越中心从事博后研究,2015年晋升为该中心的副研究员;2016年底加入北京高压科学中心(HPSTAR)任职研究员;2019年6月加入南方科技大学,任职物理系Associate Professor ; 深圳市“孔雀计划”B类人才。朱金龙博士长期从事高压下量子功能材料和高能量密度材料的研究工作,主要运用中子源以及同步辐射光源对新型量子功能材料以及能源环境材料进行在位先进高压表征,研究领域包括高压下凝聚态物质的量子调控,高压原位激光加热诱导高能物质体系以及新颖物性研究,如拓扑材料、超导体系、Mott相变以及金属绝缘化相变、磁性/铁电材料;天然气水合物的高压合成及中子表征;固态电解质传输机理研究;具有丰富的高压和含能材料研究经验。朱金龙副教授共授权发明专利3项,发表文章110余篇,已被引用2500余次,h-index 29。

个人简介

高压凝聚态物质物态性能调控及新型高压物质合成

主要研究方向和思路:

朱金龙副教授长期运用高压设备在同步辐射和中子源平台开展科研工作,在量子功能材料和高能量密度物质材料方面积累了丰富研究经验,取得了国际同行认可的突出科研成果。高压既可形成常压不能合成的新型凝聚态物质、又可有效调控电子结构从而引发量子功能的演化。

主要通过金刚石对顶压砧(0-300 GPa)进行原位光谱、低温(300 mk)强磁场(14 T)输运性能测量、原位激光加热技术(6000 K)开展一下课题方向研究:

 

(1)低维材料量子物性的综合手段调控研究

高压作为一种极端条件是凝聚态物理实验中的重要调控手段,较常见的压力范围在 1-100 GPa,高压可以在不引入杂质情况下起到改变晶格参数与各向异性的作用,从而调节序参量、界面耦合和电子结构,例如调节费米面,改变费 米能级附近电子(或空穴)的态密度。目前高压调控手段已在绝缘体金属化和高温超导等方向有了重要的研究成果。通过对不同层数的2D材料,如金属,半导体,拓扑材料,磁性材料,铁电/多铁材料等进行原位高压结构调控,通过压力改变费米面的能带结构,研究不同量子序参量,如磁性,铁电,自旋密度波(SDW),电荷密度波(CDW),超导(SC)等有序态的相互竞争和演化。

2)高压下低维材料器件性能调控

栅极调控是利用场效应晶体管工作原理,在不引入杂质条件下对材料的电子态密度和费米面高度进行直接调控,具有简单易行的优点,是半导体领域中常用的调节手段。半导体广泛应用于各种电子器件的关键原因是其物理特性可 以通过施加外部条件(如电场/光场、温度和应力/压力)有效地调整。对于典型的半导体器件,通过静电场注入过量的载流子,导电性可以被极大地调制,这种效应为信息技术的基本器件单元场效应晶体管(FET)的运行奠定了基础。通过压力可以对不同能带进行展宽,而通过器件电子/空穴的注入可以有效的提升/拉低费米能级,进而对材料本身进行调控。

(3)高压原位激光加热新物态

 许多单元素材料从常压气态向高压固体转化过程会形成高能量密度物质,伴随压力主导的化学键合演化,典型的例子包括金属氢和聚合氮;在超高压的条件,氢对应着三个不同的固态晶体结构,理论预言这个过程也包含了非常丰富的量子特性演化。含氮化合物在高压的调控下可以改变其成键状态,从三重共价键的打开过程可以释放巨大的能量。针对纯相氢气、含氢化合物以及含氮化合物的高压研究,可通过高压同步辐射确定晶体结构演变、吸收反射红外光谱确定压力对晶格振动模式和带宽的调控,高压输运性能测试来表征电子局域/巡游态的变化以及通过高压比热性能测量来表征压力对于相变潜热的影响。除此之外在原位高压条件下借助高强度激光轰击,研究动态过程中的原子键的开合变化以及可能保存下来的亚稳状态,探索新的量子调控以及新的量子基态。

(4)通过原位气液高压(0-1 GPa)结合中子衍射成像线站,对天然气水合物进行动力学热力学研究:

立足于天然气水合物科学与技术的发展与应用创新,推动新型天然气水合物综合表征技术和先进水合物制备和应用领域的深度融合。通过对天然气水合物的水文地质条件下研究,包括多维测试系统的研发和运行,精确理论模型的建立,联合深圳市及全国相关院所开展水合物试开采模拟,为我国天然气水合物商业化开采提供支持。主要研究体系包括:甲烷水合物的模拟开采,氢气水合物的应用,CO2水合物封存。

 

研究领域

1.低维材料量子物性的综合手段调控研究

2.高压下低维材料器件性能调控

3.高压原位激光加热新物态

4.通过原位气液高压(0-1 GPa)结合中子衍射成像线站,对天然气水合物进行动力学热力学研究


教学

教授课程: 大学物理,原子物理学


学术成果 查看更多

申请人主要运用中子源以及同步辐射光源对新型量子功能材料以及能源环境材料进行在位先进高压表征,研究压力调控下精细结构的变化以及对材料系统宏观的物理化学性能影响,并在高压凝聚态物理前沿领域取得新颖研究成果。申请人以第一作者和通讯作者身份,朱金龙博士总共发表90余篇文章,总引用率>1500次,包括Nature Communications (3)、PNAS(5)、JACS(2)、ACS Nano(1)、Nano Lett(4)。并被国家实验室和国际知名网站报道,在同领域产生了广泛国际上影响。此外,已授权中国专利2项,申报美国专利1项。代表性工作如下:

1. 多种新型水合物的合成、结构和性能在位中子表征及气液高压系统:天然气体水合物又称可燃冰,是一种由水通过氢键相互作用形成笼型结构并将各种分子气体(CH4、C2H6、N2、CO2、Xe等)进行包覆形成的、在一定的压力和温度条件下存在的晶体材料。在能源和环境可持续发展的今天,研究不同气体包覆的水合物形成动力学和热力学,对天然可燃冰的开采(探明能量存量是目前石油和煤炭能量储量之和的两倍)和温室气体的水文地质条件的封存有着巨大的应用前景。多种水合物的基本结构和构效关系还没有定论,水合物的形成、分解反应过程基本还没有统一的动力学模型。笼形水合物由于形成、稳定于苛刻的极端环境(高压、低温),且由H、O、C等轻元素组成,人们很难利用常规的表征手段去研究其基本物理化学性质。而在位的高压中子设备对研究水合物的生成动力学以及各相的相对热力学有着得天独厚的优势,中子的穿透深度可以容易地对气液高压腔体进行内部样品的衍射和成像,以及中子对轻元素,如氢、碳的大的衍射截面进而进行结构、衬度和同位素成像。申请人是通过高压中子衍射对水合物的相图以及二氧化碳封存进行系统研究的几个研究人员之一,在这个领域的贡献主要有以下几点:

(1.1)通过原位中子衍射,确定了除了氦气、氙气水合物,最后一个惰性气体氖气的水合物结构(LANL Science Highlights September 3, 2014, “This is the first unambiguous experimental demonstration that Ne hydrate can form an ice II structure”)。但其合成压力远高压I和II型水合物,需要在高达几百MPa的气体压力下合成,因而高压腔体的安全性设计和合成压力探索是完成实验的难点。通过高压腔体外维固定和原位中子合成压力条件的摸索,成功得到氖气水合物。区别于传统的水合物结构,氖气水合物有着类似于棱方II型冰的有序结构,可以在480 MPa下合成,并在70-260 K温度区间内稳定。衍射谱的精修和分子动力学模拟显示氖气分子通过和六方水笼、以及沿c轴同一通道里分子气体之间的范德瓦尔斯力相互作用,相对地限定在水笼内;并证实水笼的框架可以在没有氖气包覆的情况下自稳定。这些独特的性质拓展了我们对水合物的理解 (原文 “This feature is very special in the clathrates hydrate family and thus extends our knowledge of hydrate science.” in LANL Highlights)。这个工作发表在2014年美国国家科学院院刊上。

(1.2)极性的水分子通过弱相互作用形成水笼将气体分子包覆而形成水合物,申请人提出可以借助极性分子微扰因子的引入来研究水合物形成及分解动力学,对天然气水合物开采有借鉴意义。一氧化碳水合物有着非常独特的反应动力学,其结构的变化是随着一氧化碳气体分子在水笼中的填充量从I型逐步过渡到II型的。并且一氧化碳气体分子在水笼中的分布由于受到水笼自身的作用处于离心的状态,这主要是由一氧化碳的极性所引起的,在笼型水合体系中是非常独特的。当一氧化碳气体分子最终稳定在II型结构时,其大笼子(51264)中容纳了2个一氧化碳气体分子,小笼子(512)中容纳了1个一氧化碳气体分子。整个笼型水合物的合成耗时近4个月,即对应了一个非常慢的反应动力学过程,进而推断在其他星球长期稳定的温压环境下II型一氧化碳水合物为常形态。该工作发表在2014年的Nature Communications上。此外通过二氧化碳对天然气水合物中甲烷取代,达成能源气体的提炼和温室气体的水文地质封存,实验表明有将近50 %的甲烷可以被取代出来,实验上证明二氧化碳水合物地质封存和能源天然气同时开采的可行性。相关工作在整理发表中。

(1.3)利用洛斯阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)有独特的调制时间结构的白光(覆盖能量从keV到meV),发展了区别于传统的中子三维成像技术 ,入选洛斯阿拉莫斯国家实验室2012年工作亮点。该项目旨在研究多相流冲体系中的二氧化碳反应和储存。通过对玻璃珠/二氧化碳两相系统在20 MPa压力下注入水的中子成像,成像质量达到了探测器的理论分辨率150微米。为我们观测传统和非传统的矿石燃油、地热能源、环境污染以及核废料储存中的多孔多相作用,以及研究从武器到燃料电池系统提供了全新的观察窗口。通过高压下液体二氧化碳的局域结构全散射(PDF total scattering),成功获得高质量超临界和次临界二氧化碳的局域原子结构,为二氧化碳地质封存提供手段,该设备还可用于纳米介孔材料的吸附,催化研究,碳捕获以及氢能源的释放和储存,文章发表在2014年的Rev. Sci. Instrum.上。

2.弱键相互作用体系的高压局域结构表征以及和宏观物性关联研究:对边界无序材料、全无序材料进行局域的原子精细结构表征深入理解优异性能的物理机制,指导实际应用和新材料设计。这些包含无序信息的晶体是传统衍射所不能解决的,申请人是国际上涉足该领域并取得领先成果的研究人员之一。(1)通过小角广角衍射(SAXS/WAXS)和高压红外光谱对水在介孔材料非晶硅中的高压相变进行研究,非晶硅表面硅羟基和水的相互作用明显升高了水结晶的压力,为0.5 GPa。红外吸收给出了水震动峰的红移,小角衍射确定了结晶冰的多孔构形,而广角衍射则给出VII相冰的结构畸变。该研究成果发表在2014年的Nano Letters上,研究意义在于定量理解生物体系中表面水的相互作用形式和强度。(2)通过高能全散射,表征了相变储能石蜡包覆碳纳米管海绵的构形,通过碳-碳距离确定了石蜡在固液相变前后紧密附着在碳纳米管上的特性,因而在应用中整体保持固态框架形态,研究结果发表在2012年的ACS Nano上。

3.功能材料的高压量子调控:铁电和磁性材料构成功能材料重要组成,通过高压可以有效调控这些材料的序参量,为开发新型功能属性提供指导。通过高压手段可以改变极子的作用距离,甚至出现超顺电、磁的量子无序相。首次利用高压全散射(PDF)研究了压力对B位无序Bi(Ni1/2Ti1/2)O3钙钛矿多铁体系局域晶体结构畸变的抑制,发现局域无序的抑制可以明显改变原子电子构形,使体系极化减弱、带宽变窄材料输运性能增强,实现了光学和输运性能的调控。这类开创性的实验不仅对钙钛矿电子结构研究有重要意义,对于我们研究晶格局域畸变在其他电子关联体系如拓扑、超导中的作用同样具有重要指导。相关工作在整理发表中。利用高压对传统铁电BaTiO3纳米材料进行铁电-顺电相变研究。介电温谱显示相变温度随着晶粒尺寸减小而下降,晶界效应明显减小铁电极子的长程作用;高压进一步降低相变温度,说明在压力下原子局域电子极化被抑制,呈均一化分布趋势,文章在Appl. Phys. Lett.等期刊发表,相关装置研制已经获得发明专利。在PbTiO3铁电体系中,铅原子的6s2孤对电子使材料本身具有很强的负热膨胀系数,根据压力对电子极化重整效应,通过原位高压高温中子衍射发现,在1 GPa压力之上,PbTiO3变为正热膨胀系数。而在0.1到0.9 GPa的压力区间,其热膨胀系数趋近于零。这个压力范围可以通过应力工程,如通过薄膜的单向应力或者纳米材料的表面应力来实现,是高压研究指导应用的典型范例,相关工作发表在Scientific Reports和J. Appl. Physics上。锂离子全固态新一代电池具有高能量功率密度、环境友善以及安全可靠的优势是目前可移动电子设备电池的发展需求。而全固态电池发展的瓶颈在于固态电解质的稳定性特别是其离子电导率。 LiSCON电解质材料有着高电压的稳定性,高的体电导率以及简单廉价的合成工艺。但巨大的晶界电阻是阻碍其应用的难点之一。通过高压原位同步辐射衍射,以及原位阻抗测量对LiTi2(PO4)3不同温压下的测量,发现随着压力的升高其晶界电阻迅速下降,并且激活能下降,结合同温压条件下晶体结构参数的变化可研究对锂离子的传输机制的影响,以指导新的掺杂LiSCON体系开发。该综合实验设备是申请人在APS高压站发展的原位物性表征系统,并首次同时得到衍射和电性能的数据,相关结果在整理发表中。

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