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付学文 教授

招生专业: 物理学,凝聚态物理

电话: +8615201456178

邮箱: xwfu@nankai.edu.cn

办公地点: 天津市南开区卫津路94号南开大

个人资料

  • 性别:
  • 部门: 物理学院
  • 联系电话: +8615201456178
  • 通讯地址: 天津市南开区卫津路94号南开大
  • 职称: 教授
  • 电子邮箱: xwfu@nankai.edu.cn
  • 办公地址: 天津市南开区卫津路94号南开大

教育经历

2009.09 - 2014.07:北京大学物理学院,凝聚态物理,博士,导师:俞大鹏院士
2005.09 - 2009.07:北京师范大学物理系,物理学,学士,导师:高有辉教授

工作经历

2019.09 - :南开大学,物理科学学院,教授
2017.06 - 2019.09:美国布鲁克海文国家实验室,Research Associate,合作导师:Prof. Yimei Zhu
2014.11 - 2017.06:美国加州理工学院(Caltech),Postdoctoral Scholar,合作导师:Nobel Laureate,Prof. Ahmed H. Zewail
2012.03 - 2013.03:瑞士洛桑理工大学(EPFL),Visiting Scholar,合作导师:Prof. Benoît Deveaud

个人简介

南开大学物理科学学院教授,博士生导师,南开大学超快电子显微镜实验室负责人,国家“四青”人才,南开大学“百青”人才,获天津市杰出青年基金获资助,担任国家重点研发计划青年项目首席科学家。2014年获北京大学凝聚态物理博士学位(导师:俞大鹏院士),曾荣获北京市优秀博士毕业生、北京大学优秀博士毕业生和优秀博士论文奖。先后在美国加州理工学院(诺贝尔奖得主Ahmed Zewail教授研究组)和美国布鲁克海文国家实验室(Yimei Zhu教授研究组)任博士后、助理研究员之职。2019年入职南开大学物理科学学院担任教授、博士生导师,建立了南开大学超快电子显微镜实验室。2021年获得强国青年科学家提名和南开大学青年五四奖章。 长期从事超快电子显微镜、超快阴极荧光等超高时空分辨电子成像与探测技术开发及其在低维量子功能材料的结构、载流子及自旋等动力学中的应用研究。率先在国际上发展了原位液相4D超快电子显微镜技术和双色光子诱导的近场光学超快电子显微镜技术,参与研制了世界首台基于射频脉冲电子发生器的新型4D超快电子显微镜。近年来在Science、Science Advances、Nat. Commun.、Advanced Materials等知名国际期刊发表研究论文40余篇,获授权发明专利1项。

研究方向

研究领域简介

       物质的微观结构及其相关动力学行为从根本上决定了其物理与化学性质及潜在的功能和应用。例如功能纳米材料和人工纳米结构在能源转化、信息存储等应用中发挥作用时,其微观结构都发生着一系列复杂的物理和化学变化,涉及到形貌演化、结构相变、电荷转移、价态变化等动力学过程。这些动力学过程许多发生在飞秒(10-15 s)至纳秒(10-9 s)尺度。因此,在原子、分子尺度实时地观察物质微观结构的超快动力学过程一直是材料、物理、化学和生物等研究领域追逐的目标,也是深入理解其物性和开发新产品的关键。4D超快电子显微镜结合了电镜的超高空间分辨率和飞秒激光的超快时间分辨率,为研究物质的微观结构及其相关动力学行为提供了无限可能其自2005年于加州理工学院(Caltech)诺奖得主Ahmed Zewail教授课题组诞生以来,已经在上述多个研究领域产生众多重要应用,成为电子显微学领域一个快速发展的新兴方向。

       在南开大学的大力支持下,我们建立了一个国际一流的综合性4D超快电子显微镜实验室,自主设计搭建了最新一代的4D超快透射电子显微镜(UTEM)、4D超快扫描电子显微镜(USEM)、超快阴极荧光(TRCL)、微区瞬态光谱系统(TA/TRPL)等超高时空分辨电子、光子成像探测系统,旨在探索最小和最快的未知微观世界。课题组长期从事4D超快电子显微镜技术和原子/纳米尺度的超快动力学及物理研究,将重点关注和发展先进的新型原位UTEMUSEMTRCL等超高时空分辨的电子成像与探测技术,在空前的时空尺度下研究量子与纳米功能材料在能源转换、信息存储与传输等真实应用中的形貌及晶体结构演化、能量载流子传输与相互作用等超快动力学过程与物理机制,进而开发新器件和新应用。

主要研究方向

(1)新型原位超高时空分辨的4D超快透射电子显微镜技术(电子成像、洛伦兹成像、衍射、电子全息、电子能量损失谱等)

(2)新型原位超高时空分辨的4D超快电子显微镜与4D超快阴极荧光结合技术

(3)量子功能纳米材料体系中能量转换、结构相变、电荷转移等非平衡态超快动力学

(4)纳米光电材料(如半导体纳米线、二维材料、钙钛矿材料等)体系力电光耦合及载流子与激子等超快动力学与器件应用

(5)纳米尺度表面等离激元电磁场与自由电子量子相干调制动力学

(6)磁性量子功能材料体系磁化动力学

       超快电镜实验室将常年招收凝聚态物理、材料物理与化学、超快光学方向的博士生、硕士生及本科生科研项目。每年拟招收2-3名博士生(含直博、硕博连读)、2-3名硕士生、1-2名优秀的本科生,同时每年拟招聘1-2名具有TEMSEM、超快光谱、凝聚态物理或功能纳米材料背景的师资博士后。此外,超快电镜室科研团队拥有若干副教授职位虚位以待。热诚欢迎对4D超快电子显微镜和微观世界超快科学问题感兴趣、勇于挑战新生事物且有责任感的青年才俊加入超快电镜室。有意者请附简历来信联系:xwfu@nankai.edu.cn


实验室科研设备


超快电镜室实验楼

超快电镜室实验楼(伯苓楼副楼)


超快电镜室团队照片


2021元旦聚会



The Birth of Nano-Ultrafast Family(2019)

研究成果

(*corresponding author)

45. Xuewen Fu*, Haixia Nie, Zepeng Sun, Min Feng,Xiang Chen, Can Liu, Fang Liu, Dapeng Yu and Zhi-min Liao*. Bending strain effects on the optical and optoelectric properties of GaN nanowires. Nano Research. 2021, In press.

44. Xuewen Fu*, Xiang Chen, Gwenole Jacopin, Mehran Shahmohammadi, Chuwei Zhang,Fang Liu, Ren Liu, Jean-Daniel Ganière, Zhi-Min Liao*, Benoit Deveaud*, and Dapeng Yu*. Temperature Dependent Exciton Funnel Dynamics in Uniform Strain Gradient Field Observed by Time-Resolved Photoluminescence. Adv. Optical Mater. 2101969 (2021).

43. 田野*,周楚亮,付学文*,纪少政,冷雨欣,李儒新*. 基于光场调控的超快相干电子源产生及调控研究进展. 光子学报  50(8): 0850202(2021).

42. Meng Huang, Lei Gao, Ying Zhang, Xunyong Lei, Guojing Hu, Junxiang Xiang, Hualing Zeng, Xuewen Fu, Zengming Zhang, Guozhi Chai, Yong Peng, Yalin Lu, Haifeng Du, Gong Chen, Jiadong Zang, and Bin Xiang*. Possible Topological Hall Effect above Room Temperature in Layered Cr1.2Te2 Ferromagnet. Nano Letters 21, 4280−4286 (2021).

41. Xuewen Fu*, Siyu Liu, Bin Chen, Jau Tang, Yimei Zhu*. Observation and Control of Unidirectional Ballistic Dynamics of Nanoparticles at a Liquid–Gas Interface by 4D Electron Microscopy. ACS nano 15 (4), 6801-6810 (2021).

40. X. W. Fu*, Erdong Wang, Yubin Zhao, Ao Liu, Eric Montgomery, Vikrant J Gokhale, Jason J Gorman, Chunguang Jing, June W Lau, Yimei Zhu*. Direct visualization of electromagnetic wave dynamics by laser-free ultrafast electron microscopy, Science Advances, 6 (40), eabc3456 (2020).

39. X. W. Fu*,Francesco Barantani, Simone Gargiulo, Ivan Madan, Gabriele Berruto, Thomas LaGrange, Lei Jin, Junqiao Wu, Giovanni Maria Vanacore, Fabrizio Carbone*, Yimei Zhu*. Nanoscale-femtosecond dielectric response of Mott insulators captured by two-color near-field ultrafast electron microscopy, Nature Communications 11 (1), 1-11 (2020). 

38. X. W. Fu*, Myung-Geun Han, Chunguang Jing, Ao Liu, Eric Montgomery, K Schliep, June Lau, Yimei Zhu*. Visualizing Hidden States and Spin Dynamics Using Ultrafast Electron Phase Microscopy.Microscopy and Microanalysis 26 (S2), 2490-2492 (2020).

37. June W Lau, Karl B Schliep, Michael B Katz, Vikrant J Gokhale, Jason J Gorman, Chunguang Jing, Ao Liu, Yubin Zhao, Eric Montgomery, Hyeokmin Choe, Wade Rush, Alexei Kanareykin, X. W. Fu, Yimei Zhu*. Laser-free GHz stroboscopic transmission electron microscope: Components, system integration, and practical considerations for pump–probe measurements. Review of Scientific Instruments 91 (2), 021301 (2020).

36. Zhao Liu, X. W. Fu*, Dong-Bo Zhang*. Strain gradient induced spatially indirect excitons in single crystalline ZnO nanowires. Nanoscale 12 (37), 19083-19087 (2020).

35. Joseph A Garlow, Shawn D Pollard, Marco Beleggia, Myung-Geun Han, X. W. Fu, Lijun Wu, Hyunsoo Yang, Yimei Zhu*. Quantitative Analysis of Topological, Chiral Spin Textures Stabilized by the Dzyaloshinskii–Moriya Interaction in Co/Pd Multilayers. Microscopy and Microanalysis 25 (S2), 22-23 (2019).

34. Qiao Qiao, Lijun Wu, Jun Li, Shaobo Cheng, Myung-Geun Han, Joseph A Garlow, Shawn D Pollard, X. W. Fu, Jing Tao, Joseph Wall, Yimei Zhu*. Emerging Microscopy for Quantum Information Sciences. Microscopy and Microanalysis25 (S2), 928-929 (2019).

33. Chunguang Jing, Yimei Zhu, Ao Liu, Karl Schliep, X. W. Fu, Yubin Zhao, Eric Montgomery, Wade Rush, Alexei Kanareykin, Michael Katz, June Lau*. Tunable electron beam pulser for picoseconds stroboscopic microscopy in transmission electron microscopes. Ultramicroscopy207, 112829 (2019).

32. June W Lau, Karl B Schliep, Michael B Katz, Vikrant J Gokhale, Jason J Gorman, Ao Liu, Yubin Zhao, Chunguang Jing, Alexei Kanareykin, X. W. Fu, Yimei Zhu*. Laser-Free GHz Stroboscopic TEM: Construction, Deployment, and Benchmarking. Microscopy and Microanalysis 25 (S2), 1658-1659 (2019).

31. Bin Chen*X. W. Fu, Mykhaylo Lysevych, Hark Hoe Tan, Chennupati Jagadish. Four-Dimensional Probing of Phase-Reaction Dynamics in Au/GaAs Nanowires.Nano Letters19 (2), 781-786 (2019).

30X. W. Fu*, S. D. Pollard, B. Chen, B. K. Yoo, H. Yang, Y. Zhu*. “Optical Quenching of Magnetic Vortex Visualized In Situ by Lorentz Electron Microscopy”. Microscopy and Microanalysis 24 (S1), 912-913 (2018).

29. X. W. Fu*B. Chen, C. Z. Li, H. Li, Z. M. Liao*, D. P. Yu and Ahmed H. Zewail. “Direct Visualization of Photomorphic Reaction of Plasmonic Nanoparticles in Liquid by Four-Dimensional Electron Microscopy”. The Journal of Physical Chemistry Letters 9, 4045-4052 (2018).

28. X. W. Fu*S. D. Pollard, J. A. Garlow, B. Chen, B. Yoo and Y. Zhu*. “Optical manipulation of magnetic vortices visualized in situ by Lorentz electron microscopy”. Science Advances 4, eaat3077 (2018).

27. J. Li, K. Sun, J. Li, Q. Meng, X. W. FuW. Yin, D. Lu, Y. Li, M. Babzien, M. Fedurin, C. Swinson, R. Malone, M. Palmer, L. Mathurin, R. Mason, J. Chen, R. M. Konik, R. J. Cava, Y. Zhu, J. Tao*. “Probing the pathway of an ultrafast structural phase transition to illuminate the transition mechanism in Cu2S”. Applied Physics Letters 113, 041904 (2018).

25. X. W. FuB. Chen, J. Tang, M. T. Hassanand and Ahmed H. Zewail. “Imaging rotational dynamics of nanoparticles in liquid by 4D electron microscopy”. Science 355 (6324), 494-498 (2017). (Highlighted by SciencePro-Physik.dePHYS.ORGPhysicsworldScienceNet.cn)

26. X. W. Fu*B. Chen, Jau Tang* and Ahmed H. Zewail. “Photoinduced nanobubble-driven superfast diffusion of nanoparticles imaged by 4D electron microscopy”. Science Advances 3, e1701160 (2017). (Highlighted by PHYS.ORG;Nanotechweb.orgEurekAlert.orgScience Advances facebook)

24. B. Chen, X. W. FuJ. Tang, M. Lysevych, H. H. Tan, C. Jagadish and Ahmed H. Zewail. “Dynamics and control of gold-encapped gallium arsenide nanowires imaged by 4D electron microscopy”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 201708761 (2017). (Highlighted by Nanotechweb.org

23. H. Chen, X. W. FuQ. An, B. Tang, S. R. Zhang, H. Yang, Y. Long, M. Harfouche, H. L. Wang, Y. X. Li. “Determining the Quality Factors of Dielectric Ceramic Mixtures with Dielectric Constants in the Microwave Frequency”. Scientific Reports 7, 14120 (2017).

22. X. W. FuC. Z. Li, L. Fang, D. M Liu, J. Xu, D. P Yu and Z. M. Liao. “Strain-gradient modulated exciton emission in bent ZnO wires probed by cathodoluminescence”. ACS Nano 10 (12), 11469–11474 (2016).

21. X. W. FuZ. M. Liao, R. Liu, F. Lin, R. Zhu, W. Zhong, Y. K. Liu, W. L. Guo and D. P. Yu. “Strain loading mode dependent bandgap deformation potential in ZnO micro/nanowires”. ACS Nano 8 (4), 3412-3420 (2015).

20. R. Liu, X. C. You, X. W. FuF. Lin, J. Meng, D. P. Yu and Z. M. Liao. “Gate modulation of graphene-ZnO nanowire Schottky diode”. Scientific Reports 5 (2015).

19. M. Shahmohammadi, G. JacopinX. W. FuJ. D. Ganière, D. P. Yu and B. Deveaud. “Exciton hopping probed by picosecond time-resolved cathodoluminescence” Applied Physics Letters 107 (14), 141101 (2015).

18. X. W. FuC. Su, Q. Fu, X. L. Zhu, J. Feng, J. Li and D. P. Yu. “Tailoring exciton dynamics by elastic strain-gradient in semiconductors”. Advanced Materials 26, 2572-2579 (2014). (Highlighted by PKU newsPKU Alumni news)

17. X. W. FuG. Jacopin, M. Shahmohammadi, R. Liu, M. Benameur, J. D. Ganière, J. Feng, W. L. Guo, Z. M. Liao, B. Deveaud and D. P. Yu. “Exciton drift under uniform strain gradient in bent ZnO microwires”. ACS Nano 8 (4), 3412-3420 (2014). (Highlighted by Advances in EngineeringPKU news)

16. X. W. FuZ. M. Liao and D. P. Yu. “Electronic and mechanical coupling in elastically bent ZnO micro/nanowires”. MRS Proceedings 1664, mrsf13-1664-yy02-02 (2014). (Review Article)

15. X. W. FuZ. Y. Zhang, Z. H. Zhang, X. L. Zhu, R. Zhu, J. Xu, W. L. Guo and D. P. Yu. “Outermost tensile strain dominated exciton emission in bending CdSe nanowires”. Science China Materials 57 (1), 26-33 (2014).

14. F. Lin, S. W. Chen, J. Meng, G. TseX. W. FuF. J. Xu, B. Shen, Z. M. Liao and D. P. Yu. “Graphene/GaN diodes for ultraviolet and visible photodetectors”. Applied Physics Letters 105 (7), 073103 (2014).

13. X. W. FuZ. M. Liao, R. Liu, J. Xu and D. P. Yu. “Size-dependent correlations between strain and phonon frequency in individual ZnOnano/micro-wires”. ACS Nano 7, 8891 (2013).

12. X. W. FuZ. M. Liao, J. Xu, X. S. Wu, W. L. Guo and D. P. Yu. “Improvement of ultraviolet photoresponse of bent ZnO microwires by coupling piezoelectric and surface oxygen adsorption/desorption effects”. Nanoscale5, 916-920 (2013).

11. X. W. FuQ. Fu, L. Z. Kou, X. L. Zhu, R. Zhu, J. Xu, Z. M. Liao, Q. Zhao, W. L. Guo and D. P Yu. “Modifying optical properties of ZnO nanowires via strain gradient”. Frontiers of Physics8,509 (2013).

10. R. Liu, X. W. FuJ. Meng, Y. Q. Bie, D. P. Yu and Z. M. Liao. “Graphene plasmon enhanced photoluminescence in ZnO microwires”. Nanoscale 5, 5294-5298 (2013).

9. F. K. Butt, C. Cao, W. S. Khan, M. Safdar, X. W. FuM. Tahir, F. Idrees, Z. Ali, G. Nabi and D. P. Yu. “Electrical and optical properties of single zigzag SnO2 nanobelts”. CrystEngComm 15 (11), 2106-2112 (2013)

8. X. W. FuZ. M. Liao, Y. B. Zhou, H. C. Wu, Y. Q. Bie, J. Xu and D. P. Yu. “Graphene/ZnO nanowire/graphene vertical structure based fast-response ultraviolet photodetector”. Applied Physics Letters 100, 22, 3114 (2012).

7. Z. M. Liao, H. Ch. Wu, Q. Fu, X. W. FuX. L. Zhu, J. Xu, I. V. Shvets, Z. H. Zhang, W. L. Guo, Y. L. Wang, Q. Zhao, X. S. Wu and D. P. Yu. “Strain induced exciton fine-structure splitting and shift in bent ZnO microwires”. Scientific Reports 2 (2012).

6. G. Nabia, H. Caoa, Z. Usmana, S. Hussaina, W. S. Khana, F. K. Butta, D. P. Yu and X.W. Fu“Pre-treatment effect of aqueous NH3 on conductivity enhancement and PL properties of GaN nanowires”. Materials Letters70, 19-22 (2012).

5. G. Nabia, C. B. Cao, W. S. Khana, S. Hussaina, Z. Usmana, T. Mahmooda, N. A. D. Khattakb, S. Zhaoc, X. Xinc, D. P. Yu and X. W. Fu“Synthesis, characterization, photoluminescence and field emission properties of novel durian-like gallium nitride microstructures”. Materials Chemistry and Physics 133, 2, 793 (2012).

4. X. W. FuZ. M. Liao, J. X. Zhou, Y. B. Zhou, H. C. Wu, R. Zhang, G. Y. Jing, J. Xu, X. S. Wu, W. L. Guo and D. P. Yu. “Strain dependent resistance in chemical vapor deposition grown graphene”. Applied Physics Letters99, 21, 3107 (2011).

3. Y. Yan, Z. M. Liao, Y. Q. Bie, H. C. Wu, Y. B. Zhou, X. W. Fuand D. P. Yu. “Luminescence blue-shift of CdSe nanowires beyond the quantum confinement regime”. Applied Physics Letters 99, 10, 3103 (2011).

2. X. W. FuJ. Chen, S. Wang, W. Zhang, L. W. Sun and Y. H. Gao. “Research on fabrication of the highly ordered nanoporous alumina template”. Materials Review23, 4, 97 (2009).

1. Y. ZhengM. ChenY. MaX. W. FuY. J. Shao and J. Zhou. “Numerical calculation of the diffraction by one-dimensional grating”. College Physics 28, 5, 52 (2009).


专利申请

1. X. W. Fu,Q. Fu, X. L. Zhu and D. P. Yu. Application of micro/nano-array for loading standard bending strain in micro/nanowires. China National Patent: CN103663354 B (2016).



代表性研究成果


5. 新型四维超快电子显微镜技术开发及应用

四维超快电子显微镜集飞秒激光和高分辨电子显微镜于一体,结合了飞秒激光的超快时间分辨率和电镜的超高空间分辨率,被广泛应用于物质超快结构动力学研究和分析,成为球差矫正电镜和冷冻电镜技术之后电子显微学领域又一重要的发展方向。然而,现有的四维超快电子显微镜都需要用到昂贵的飞秒激光系统,成本极高,且飞秒光路系统的构建十分复杂,技术门槛极高,且存在不可避免的光路指向稳定性、脉冲光电子发射稳定性、泵浦源局限于飞秒激光等问题,严重制约了四维超快电子显微镜技术的进一步发展和在全球范围内大规模建设及应用。

针对当前四维超快电子显微镜发展的技术瓶颈和成本高昂等问题,我们提出了一种利用微波行波调制常规场发射连续电子束产生超快脉冲电子束的技术路线及方案,自主研制了一种小型的、可集成于现有各型商用热发射或场发射透射电子显微镜的微波脉冲电子发生器,开发出了国际上首台无需复杂飞秒激光系统的四维超快透射电子显微镜系统,并开发了相配套的原位超快电磁场泵浦调控技术,成功实现了无需飞秒激光、低成本的四维超快透射电子成像技术(Science Advances 6 (40), eabc34562020; Rev. Sci. Instrum. 91, 0213012020);Ultramicroscopy 207, 1128292019))。利用该自主研发的新型四维超快透射电子显微镜,在皮秒与纳米时空尺度首次实时观测揭示了高频电磁波在微/纳天线微型电子器件中的传播动力学特性。


4. 基于双光子调制的4D超快电子显微镜技术及其在Motto绝缘体超快动力学中的应用

四维超快电子显微镜(4D UEM)以其超高的时空分辨率被广泛应用于超快结构动力学分析,但由于光阴极发射的电子存在能散,且在自由飞行过程中存在较强空间电荷作用,导致其时间分辨率被限制在数百飞秒量级,远大于材料中电子运动的时间尺度(数十飞秒)。近年来,几种电子脉冲压缩方案(如射频压缩、太赫兹压缩等)被提出可进一步提高4D UEM的时间分辨率,但是数十飞秒与纳米时空尺度的成像至今尚未实现,成为4D超快电子显微镜技术进一步发展的关键。为此,我们提出了一种基于自由电子-光子相互作用的新型双色超快泵浦-探测方案,将四维超快电镜的时间分辨提升了一个数量级,在飞秒与纳米时空尺度揭示了单个Mott绝缘体VO2纳米线的绝缘体-金属相变动力学过程(Nature Communications 11 (1), 1-11(2020))。


3. 原位液态4D超快电子显微镜技术及其在功能纳米材料超快动力学研究中的应用

在原子尺度观察物质的结构及其演化的超快动力学过程,是理解物理、材料、化学和生物等学科中众多现象的关键,也是科学家们一直追逐的梦想。4D超快电子显微镜结合了电镜的超高空间分辨率和飞秒激光的超快时间分辨率,使得在超高时空尺度下研究物质的结构变化及能量转换等动力学过程成为可能。但受高真空运行环境的限制,该技术只局限于固态体系(含冷冻样品)的动力学研究。因此,开发原位液态、气态环境4D超快电子显微镜技术对于各种复杂环境下功能纳米材料的超快动力学研究极为关键。代表性研究成果如下:

1)开发了一种可在高真空下维持液态环境且对高能电子和激光均透明的超薄液态样品池器件,进而发展了液态环境4D透射电子显微镜技术 。首次在纳秒和纳米时空尺度下捕捉到了液体中纳米颗粒二聚体的超快弹道旋转动力学过程和在长时间尺度下的随机扩散旋转行为,第一次通过实时图像解开了布朗运动在超短时间尺度下的弹道特性这个世纪谜题 (Science 355, 494-498 (2017)。该成果被等众多媒体选为研究亮点进行广泛报道,如Science杂志评论称:“On the way toward a complete recording of biomolecular function in space and time, the success of Fu et al. with nanoparticles is an important milestone.”



2)通过进一步优化该原位4D技术的性能,研究了水中纳米金颗粒在飞秒激光作用下表面等离激元激发与光热能量转化等动力学过程。首次在纳秒和纳米时空尺度下观察到了纳米金颗粒周围表面等离激元纳米气泡的产生、膨胀和湮灭过程,以及纳米金颗粒在此纳米气泡驱动下的弹道输运和随机游走等动力学行为,提出了一种针对液体环境中纳米机器人的光诱导等离激元气泡驱动机制 (Science Advances 3, e1701160 (2017); ACS nano 15 (4), 6801-6810 (2021))。并进一步成功捕捉到了水中纳米金颗粒之间表面等离激元诱导的团聚与熔合等不可逆物理与化学反应超快动力学过程 (J. Phys. Chem. Lett. 9, 4045(2018))以及GaAs纳米线/金纳米球体系的多元共金反应不可逆超快动力学过程(Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A201708761(2017);Nano Letters19 (2), 781-786 (2019))



2. 4D超快洛伦兹电子显微镜技术及其在磁性功能纳米材料磁化动力学研究中的应用

复杂电磁环境下的许多电子强关联材料中发生的超快相变动力学过程一直是人们研究的热点和难点,如超导材料的超导相变和磁性材料的磁化-反磁化动力学过程等。这些复杂动力学过程直接决定了材料的物性和相关器件性能。代表性研究成果如下:

1)基于4D超快透射电子显微镜和洛伦兹成像原理,发展了4D超快洛伦兹电子成像技术 (见下),突破了如超快光学和超快X射线等传统超快磁性成像技术空间分辨率的限制。首次在纳米尺度下实时观察到了不同对称性纳米磁盘中拓扑磁涡旋的超快光致磁化反转动力学行为,并揭示了其磁化反转动力学过程与纳米磁盘微观结构和拓扑序参数间的关系,由此提出了一种基于纳米磁涡旋光热效应的新型快速高密度数据存储方案 (Science Advances 4,eaat3077(2018))。该研究拓展了4D超快透射电镜技术在磁性纳米功能材料超快磁化动力学研究中的应用。


1. 高时空分辨阴极荧光技术和弹性应变对纳米半导体电子能带结构及激子动力学特性的调制及应用

在原子/纳米尺度精确调控功能纳米半导体的电子结构和载流子动力学特性是提升其物性的关键,也是进一步开发高性能光伏器件、光电探测器和光电晶体管等产品的基础。弹性应变可连续改变半导体的晶格常数及结构,被视为可连续调控半导体物性最具潜力的方式之一,例如应变效应晶体管等。因此,在原子/纳米尺度研究应变对半导体电子结构及载流子动力学的调制规律,对提升半导体物性及产品应用具有十分重要的意义。代表性研究成果如下 (见下图) :

1)基于微纳加工与显微操纵技术,解决了针对一维微纳米材料进行精确可控的标准三点、四点弯曲及单轴拉伸等弹性应变加载的技术难题 (专利号 CN103663354B)。结合原位拉曼光谱探测,首次发现了弹性拉、压应变对ZnO纳米线声子的选择性线性调制和尺度依赖效应 (ACS Nano 7(10), 8891 (2013))

2)结合高空间分辨阴极荧光探测,系统揭示了弹性拉、压应变分别对ZnO电子能带结构及激子发光能量的线性红移与蓝移调制规律及相关物理机制 (ACS Nano 10(12), 11469 (2016); ACS Nano 9(12), 11960 (2015));

3)基于超快扫描电子显微镜,发展了全球时空分辨率最高的阴极荧光系统 (~10ps~20nm时空分辨率)。首次在皮秒和纳米时空尺度观测到了应变梯度场对激子(束缚的电子-空穴对)的驱动效应,确立了半导体中一直备受争议的应变梯度效应及背后物理机制 (Advanced Materials 26, 2572-2579 (2014); ACS Nano8(4), 3412-3420 (2014); Appl. Phys. Lett. 107 (14), 141101 (2015); Science China Materials 57, 26-33 (2014)) 。并发展了一系列基于应变纳米半导体的高性能光电子器件 (Scientific Reports 5 (2015); Appl. Phys. Lett. 105 (7), 073103 (2014); Nanoscale 5, 916 (2013); Appl. Phys. Lett. 100, 22, 3114 (2012); Appl. Phys. Lett. 99, 21, 3107 (2011)),展示了该效应在力、电、光领域的巨大应用潜力。


社会兼职

教学经历

《固体物理前沿》

《近代物理实验》

《物理学前沿》

《奇妙的物理世界》

荣誉称号

2021 强国青年科学家提名

2021 南开大学青年五四奖章

2020 获天津市杰出青年基金项目资助

2020 全国电子显微学学术年会优秀报告奖

2019 入选南开大学“百名青年学科带头人”培养计划

2019 全国电子显微学学术年会优秀报告奖

2018 入选国家四青人才

2014 北京市优秀博士毕业生,北京大学优秀博士毕业,北京大学优秀博士论文奖,北京大学学术精英奖,北京大学物理“钟盛标”学术论坛一等奖

2013 北京大学学术创新奖,Gatan中国博士奖学金,廖凯原奖学金,全国高校电子显微图片大赛一等奖和最高人气奖

2012 北京大学学习优秀奖,北京大学五四奖学金,中国物理年会最佳张贴报告奖

2010 北京大学三好学生

2009 北京师范大学优秀毕业生,北京师范大学优秀本科毕业论文

2008 北京师范大学专业奖学金,北京师范大学数学建模竞赛二等奖,北京师范大学“本科生科研基金优秀项目”

2007 国家励志奖学金北京师范大学专业一等奖学金,北京师范大学三好学生

2006 北京师范大学专业奖学金

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