鲁年鹏

简介


鲁年鹏,研究方向为功能性过渡金属化合物薄膜的离子调控及新奇物性探索。2014年于中国科学院物理研究所获博士学位,随后在清华大学物理系从事博士后研究工作。2018年8月加入中国科学院物理研究所,在表面物理实验室SF03组工作,任特聘研究员,博士生导师。近几年在过渡金属化合物物相和物性调控方面取得系列重要进展,在Nature, Nat. EnergyNat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Phys. Rev. B/XChem. Mater., JPCM等学术期刊上发表研究论文及综述40余篇,被引1500余次,其中单篇引用最高达500余次,申请PCT/国际专利及国内专利总计10余项。获得过彭桓武博士后奖学金 (2017年度)、清华大学优秀博士后 (2018年度)、中科院引才计划青年项目及择优支持 (2018、2021年度)、凝聚态物理国际知名学术期刊J. Phys.: Conden. Matter评选的Emerging Leaders 2020学术称号 (2021年度),及中组部青年拔尖人才支持计划 (2023年度) 等。

主要研究方向


功能性过渡金属化合物的新材料制备、新型量子调控、功能特性研究及模型器件的构建

过渡金属化合物,虽然结构简单,但由于电荷、晶格、轨道和自旋等自由度之间的强关联效应,从而展现出丰富的物理特性,如超导、磁阻、铁磁、铁电、多铁性等。虽然有大量的工作对这些物性进行研究,但根本上还是想如何实现或调控这些物理特性。在材料制备的基础上,相比于传统采用的化学掺杂、应力/压强及静电调控方法,电场控制的离子调控可以实现很大能量尺度的调控,是一个全局的,强有力的且非常有效的调控手段。一方面,其可以控制离子嵌入和析出,改变材料的晶格结构,得到很多新颖的物相。另一方面,它又可以间接影响到材料的其它粒子、准粒子或者各种自由度的相互作用,从而衍生出很多新奇的物性。将电场控制的离子作为功能单元时,其又在能源存储、能源转换和信息存储等功能特性方面有很多重要的应用。此外,利用电场控制离子调控方法实现的这些有趣物理特性和功能特性,又可以做成模型器件,为实际应用打下基础。所以此研究方向具有多学科交叉的特点,并有望衍生出很多新物理、新材料及新型实用器件。

过去的主要工作及获得的成果


1. 双离子开关电场调控的三态结构相变及其功能实现(新方法、新物性)─以具有钙铁石结构的SrCoO2.5为模型体系,巧妙利用离子调控与电荷、自旋的协同作用实现了室温电场控制双离子(H+和O2-)诱导的可逆三态结构相变及伴随的双波段电致变色和多态磁电耦合效应,进一步揭示了主导离子调控机制的电荷传输和离子扩散协同效应在此基础上总结出了一种材料设计新方法,即电场控制的离子调控方法。这一调控手段已经拓展到VO2、WO3、NiCo2O4、SrRuO3等一系列氧化物模型材料体系中,并展现出强有力的调控效果,得到了丰富的物相和物性综上可知,电场控制离子调控或离子调控方法正在逐渐成为大家普遍使用的一种调控方法,必将为氧化物材料及其它材料的研究或新奇物性的探索提供新的启发 [Nature 546, 124 (2017) Citation >500次; News & Views: Nature 546, 40 (2017)]。

2. 低温区快氢离子导体的探索与实现(新材料、新物性)—离子电导电解质可广泛用于燃料电池、气体分离、传感等应用领域。尤其是当用于能源转换时,其可以直接将化学能转化为电能,具有转化效率高、绿色无污染等优点。相比氧离子电导电解质,氢离子电解质具有工作温度低、跃迁势垒小和扩散系数大的优势。设计和实现能在低温温区工作且具有较高离子电导率的新型离子电解质具有重要的科学意义和应用前景。本工作创新性地在具有H离子嵌入的有序氧空位通道钙铁石结构ABO2.5(本文以SrCoO2.5为模型体系)中,得益于结构中存在的本征有序氧空位和大量自发嵌入的H离子,以及离子嵌入后电子电导受到极大压制,实现了低温区(40 oC-140 oC)附近优异的离子电导特性(~0.1 S/cm),并进一步以该材料(HSrCoO2.5)作为H离子电导电解质,成功构建了燃料电池模型器件,并室温温区实现能量转化。该工作为氧化物离子导体电解质的设计和探索提供了重要的借鉴意义 [Nature Energy 7, 1208 (2022); News & Views: Nature Energy 7, 1124 (2022); 期刊封面]。

3. 电场控制固态氧离子迁移、相变及磁电耦合(新结构、新机理)─基于电场控制离子调控新方法,以具有钙铁石晶格结构SrCoO2.5及SrFeO2.5为模型体系,实现了原子尺度下室温原位电场控制下O2-离子的迁移及其伴随的结构相变,由于B位原子及d电子排布的不同,分别得到了不同的产物,即全部具有氧四面体组成的SrCoO2新相结构及无限层平面结构SrFeO2,进一步研究了O2-在这一独特晶格结构中迁移的微观机制,并结合磁性金属以O2-作为离子栅极实现了模型器件的构建及其在室温快速磁电耦合方面的应用。该系列工作进一步证明了电场控制离子调控的重要意义和普适性,为相关领域的基础研究和潜在应用打下了基础;也进一步拓展了离子调控研究领域,为离子调控相关信息存储研究领域提供了重要的启示 [Nature Commun. 8, 104 (2017); Nature Commun. 8, 3156 (2017); Chem. Mater. 33, 3113 (2021)]。

4. 离子调控中自由度间耦合机理研究(新机理、新效应)─关联材料体系中晶格、电荷、轨道和自旋等自由度之间的关联、耦合和重构会衍生出很多丰富的物性,而近些年发展起来的离子调控则又增添了离子这一自由度,同时也为材料物性研究增加了一种新的调控手段—离子调控。由于这些自由度之间复杂的关联效应,通常很难对其解耦或厘清其中关系。本研究基于离子调控手段,以典型钙钛矿结构镍酸盐为模型体系,从实空间原子尺度的晶格结构和能带空间的电子态结构出发,研究并澄清离子-电荷-晶格之间的耦合机制,包括离子嵌入对晶格的影响和电荷的协同掺杂效应,并重点研究在这一过程中电荷对轨道反掺杂效应主导的电子态演化及金属-绝缘体转变。此工作为关联材料中的基础物理及器件应用研究打下了坚实基础。[Adv. Mater. 35, 2300617 (2023);  Adv. Electron. Mater. 2400029 (2024);  J. Phys.: Conden. Matter 33, 104004 (2021)]

5. 自支撑氧化物薄膜探索及物性调控(新方法、新材料)─不同于层间范德华力结合的二维材料体系,大部分外延氧化物薄膜体系和衬底之间往往通过离子键或共价键结合,所以很难实现机械力学解离。通常在氧化物中,我们采用在衬底和目前材料之间生长一层牺牲层,通过溶解牺牲层,从而将目标材料转移到我们需要的基底上。相比于以前溶于强酸/强碱的牺牲层材料体系(如STO,LSMO等)或最近发现能溶于水的复杂超结构体系Sr3Al2O6,本研究发展了一种新的牺牲层材料,即具有简单晶格结构、环境中稳定且能溶于很多常见溶液的SrCoO2.5体系。在此基础上,我们以具有巡游铁磁SrRuO3为模型材料,得到了不同应力和不同取向高结晶质量的外延和自支撑薄膜,通过磁性和电输运测量发现在自旋-轨道耦合及氧八面体扭转作用下其自支撑前后具有普适的应力和晶格取向依赖的磁各向异性。该工作为与柔性电子学和器件应用相关的基础研究和应用研究提供了新的视角。此外,最近我们也通过选择合适的牺牲层,也获得了Ga2O3自支撑薄膜及p-n异质结的构建,其表现出良好的力学特性及日盲光学特性。 [Adv. Funct. Mater. 32, 2111907 (2022); ACS Nano 18, 5374 (2024)]。

6. 反钙钛矿氮化物单一固体中大温区恒电阻率探索及实现(新材料─反钙钛矿氮化物和氧化物一样,具有强的关联效应及由此衍生的丰富物性,如超导、磁致伸缩效应、负热膨胀及恒电阻率特性等。通过优化设计,我们在MxCu3N(M=Cu, Ag, Au)及MxMn3N (M=Mn, Ag)等具有代表性的反钙钛矿结构薄膜材料体系中通过金属掺杂的方法,实现了金属到绝缘体的转变,并在转变临界点通过精细调控掺杂量实现了大温区(55K-300K)的恒电阻特性。同时通过电输运的测量,发现恒电阻率特性来源于载流子浓度和迁移率变化的相互补偿。这一研究工作为恒电阻率材料的选择及设计思路提供了一种可能 [Sci. Rep. 3, 3090 (2013); J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 045308 (2016)]。

代表性论文及专利


(#共同一作, *通讯作者) ResearcherID: http://www.researcherid.com/rid/L-8528-2013

1. N.P. Lu, Z. Zhang, Y.J. Wang, H.B. Li, S. Qiao, B. Zhao, Q. He, S.C. Lu, C. Li, Y.S. Wu, M.T. Zhu,  X.Y. Lyu, X.K. Chen, Z.L. Li, M. Wang, J.Z. Zhang, S.C. Tsang, J.W. Guo, S.Z. Yang, J.B. Zhang, K. Deng, D. Zhang, J. Ma, J. Ren, Y. Wu, J.Y. Zhu, S.Y. Zhou, Y. Tokura, C.W. Nan, J. Wu, P. Yu. Enhanced low-temperature proton conductivity in hydrogen-intercalated brownmillerite oxide. Nature Energy 7, 1208 (2022). 期刊封面, (News & Views: Cool proton conductors. Nature Energy 7, 1124 (2022))

2. L. Gao, H.M. Wang, F.Q. Meng, H.N. Peng, X.Y. Lyu, M.T. Zhu, Y.Q. Wang, C. Lu, J. Liu, T. Lin, A.L. Ji, Q.H. Zhang*, L. Gu, P. Yu, S. Meng*, Z.X. Cao, N.P. Lu*. Unveiling strong ion-electron-lattice coupling and electronic antidoping in hydrogenated perovskite nickelate. Advanced Materials 35, 2300617 (2023).

3. H.N. Peng, N.P. Lu*, S.Z. Yang, Y.J. Lyu, Z.W. Liu, Y.F. Bu, S.C. Shen, M.Q. Li, Z.L. Li, L. Gao, S.C. Lu, M. Wang, H. Cao, H. Zhou, P. Gao, H.H. Chen, P. Yu*. A Generic Sacrificial Layer for Wide-Range Freestanding Oxides with Modulated Magnetic Anisotropy. Advanced Functional Materials 32, 2111907 (2022).

4. L. Zhu, L. Gao, L.F. Wang*, Z. Xu, J.L. Wang, X.M. Li, L. Liao, T.T. Huang, H.L. Huang, A.L. Ji, N.P. Lu*, Z.X. Cao, Q. Li, J.R. Sun, P. Yu, X.D. Bai* Atomic-Scale Observation of Structure Transition from Brownmillerite to Infinite Layer in SrFeO2.5 Thin Films. Chemistry of Materials 33, 3113 (2021).

5. C. Lu, M.C. Li, L. Gao, Q.H. Zhang, M.T. Zhu, X.Y. Lyu, Y.Q. Wang, J. Liu, P.Y. Liu, L. Wang, H.Y. Tao, J.Y. Song, A.L. Ji, P.G. Li*, L. Gu, Z.X. Cao, and N.P. Lu*. Freestanding Crystalline β-Ga2O3 Flexible Membrane Obtained via Lattice Epitaxy Engineering for High-Performance Optoelectronic Device. ACS Nano 18, 5374 (2024).

6. Y.Q. Wang, G.H. Cai, Z.F. Chen, H.N. Peng, Q.H. Zhang, L. Gao, M.T. Zhu, X.Y. Lyu, C. Lu, J. Liu, M.C. Li, K.Y. Liang, P.Y. Liu, L. Wang, H.Y. Tao, J.Y. Song, Q. Wang, A.L. Ji, M. Liu*, C.R. Li*, L. Gu, P. Yu, Z.X. Cao, N.P. Lu*. Transparent conducting TiO2 thin film induced by electric-field controlled hydrogen ion intercalation.  Advanced Electronic Materials 2400029 (2024).

7. M.C. Li, C. Lu, L. Gao, M.T. Zhu, X.Y. Lyu, Y.Q. Wang, J. Liu, L. Wang, P.Y. Liu, J.Y. Song, H.Y. Tao, Q. Wang, A.L. Ji, P.G. Li*, Z.X. Cao, N.P. Lu*. Ultrasensitive Self-Powered Flexible Crystalline β‑Ga2O3‑Based Photodetector Obtained through Lattice Symmetry and Band Alignment Engineering.  ACS Applied Materials & Interface, https: //doi.org/10.1021 /acsami.4c05643 (2024).

8. L. Gao, X.K. Chen, X.Y. Lyu, G.P. Ji, Z.F. Chen, M.T. Zhu, X. Cao, C.R. Li, A.L. Ji , Z.X. Cao and N.P. Lu*. Tracing the ionic evolution during ILG induced phase transformation in strontium cobaltite thin films. Journal of Physics: Condensed Matter 33, 104004 (2021).

9. J. Liu, L. Gao, Y.T. Zou, T. Lin, M.T. Zhu, X.Y. Lyu, C. Lu, Y.Q. Wang, A.L. Ji, Q.H. Zhang, Z.G. Cheng, L. Gu, Z.X. Cao, N.P. Lu*. Emergent weak antilocalization and wide-temperature-range electronic phase diagram in epitaxial RuO2 thin film. Journal of Physics: Condensed Matter 35 405603 (2023).

10. C. Lu, L. Gao, F.Q. Meng, Q.H. Zhang, L.H. Yang, Z. Liu, M.T. Zhu, X.K. Chen, X.Y. Lyu, Y.Q. Wang, J. Liu, A.L. Ji, P.G. Li, L. Gu, Z.X. Cao, N.P. Lu*. Epitaxial growth of a β-Ga2O3 (−201)-oriented thin film on a threefold symmetrical SrTiO3 (111) substrate for heterogeneous integration. Journal of Applied Physics 133, 045306 (2023).

11. C. Lu, X.Q. Ji, Z. Liu, X Yan, N.P. Lu*, P.G. Li*, W.H. Tang. A review of metal–semiconductor contacts for β-Ga2O3Journal of Physics D: Applied Physics 55 463002 (2022).

12. G.P. Ji, A.L. Ji, N.P. Lu*, Z.X. Cao. Panoramic view of particle morphology for growth mechanism exploration: A case study of micron-sized five-fold twinned Ag particles from vapor condensation. Journal of Crystal Growth 533, 125459 (2020).

13. N.P. Lu, P.F. Zhang, Q.H. Zhang, R.M. Qian, Q. He, H.B. Li, Y.J. Wang, J.W. Guo, D. Zhang, Z. Duan, Z.L. Li, M. Wang, S.Z. Yang, M.Z. Yan, E. Arenholz, S.Y. Zhou, W.L. Yang, L. Gu, C.W. Nan, J. Wu, Y. Tokura and P. Yu. Electric-field control of tri-state phase transformation with selective dual-ion switch. Nature 546, 124 (2017) Citation >500次. (News & Views: Functional materials at the flick of a switch. Nature 546, 40 (2017))

14. Q.H. Zhang#, X.He#, J.A. Shi#, N.P. Lu#, H.B. Li, Q. Yu, Z. Zhang, L.Q. Chen, B. Morris, Q. Xu, P. Yu, L. Gu, K.J. Jin and C.W. Nan. Atomic-resolution imaging of electrically induced oxygen vacancy migration and phase transformation in SrCoO2.5-σNature Communications 8, 104 (2017).

15. D. Yi#, N.P. Lu#, X.G. Chen, S.C. Shen and P. Yu. Engineering magnetism at functional oxides interfaces: manganites and beyond (Review article). Journal of Physics: Condensed Matter 29, 443004 (2017).

16. N.P. Lu, M. Wang, P. Yu. Electric-field Control of Ionic Evolution in Complex Oxides (Feature article). AAPPS Bulletin 28, 16 (2018).

17. N.P. Lu, A.L. Ji, and Z.X. Cao. Nearly Constant Electrical Resistance over Large Temperature Range in Cu3NMx (M=Cu, Ag, Au) Compounds. Scientific Reports 3, 3090 (2013).

18. N.P. Lu, T. Xu, Z.X. Cao and A.L. Ji. Ternary Mn3NMn1-xAgx compound filmsof nearly constant electrical resistivity and their magnetic transport behaviour. Jounral of Physics D: Applied Physics  49, 045308 (2016).

19. H.B. Li, N.P. Lu, Q.H. Zhang, Y.J. Wang, D.Q. Feng, Y.J, Shi, W.C. Wang, W.H. Wang, H. Liu, K. Jin, J. Ma, L. Gu, C.W. Nan, P. Yu. Electric-field control of ferromagnetism through oxygen ion gating. Nature Communications 8, 2156 (2017).

20. L.L. Li, M. Wang, Y.D. Zhang, Y. Zhang, F. Zhang, Y.S. Wu, Y.J. Wang, Y.J. Lyu, N.P. Lu, G.P. Wang, H.N. Peng, S.C. Shen, Y,G. Du, Z.H. Zhu, C.W. Nan, P. Y. Manipulating the insulator–metal transition through tip-induced hydrogenation. Nature Materials 21, 1246 (2022).

21. S.C. Lu, F. Yin, Y.J. Wang, N.P. Lu, L. Gao, H.N. Peng, Y.J. Lyu, Y.W. Long, J. Li, and P. Yu. Facile Pathways to Synthesize Perovskite Strontium Cobalt Oxides. Advanced Functional Materials 33, 2210377 (2023).

22. Z.L. Li, Y.J. Lyu, Z. Ran, Y.J. Wang, Y. Zhang, N.P. Lu, M. Wang, M. Sassi, T.D. Ha, A.T. N’Diaye, P. Shafer, C. Pearce, K. Rosso, E. Arenholz, J-Y. Juang, Q. He, Y-H. Chu, W.D. Luo, P. Yu. Enhanced Magnetization in CoFe2O4 Through Hydrogen Doping. Advanced Functional Materials 2212298 (2023).

23. Z.L. Li, S.C. Shen, Z.J. Tian, K. Hwangbo, M. Wang, Y.J. Wang, F.M. Bartram, L.Q. He, Y.J. Lyu, Y.Q. Dong, G. Wan, H.B. Li, N.P. Lu, J.D. Zang, H. Zhou, E. Arenholz. Q. He, L.Y. Yang, W.D. Luo, P. Yu. Reversible manipulation of the magnetic state in SrRuO3 through electric-field controlled proton evolution. Nature Communications 11, 184 (2020).

24. Y.J. Wang, Q. He, W.M. Ming, M.H. Du, N.P. LuC. Cafolla, J. Fujioka Q.H. Zhang, D. Zhang, S.C. Shen, Y.J. Lyu, A.T. N’Diaye, E. Arenholz, L. Gu, C.W. Nan, Y. Tokura, S. Okamoto, P. Yu. Robust Ferromagnetism in Highly Strained SrCoO3 Thin Films. Physical Review X 10, 021030 (2020).

25. M. Wang, L. Hao, F. Yin, X. Yang, S.C. Shen, N.L. Zou, H. Cao, J. Yang, N.P. Lu, Y.S. Wu, J.B. Zhang, H. Zhou, J. Li, J. Liu, and P. Yu. Manipulate the Electronic State of Mott Iridate Superlattice through Protonation Induced Electron-Filling. Advanced Functional Materials 2100261 (2021).

26. D. Zhang, H, Ishizuka, N.P. Lu, Y.J. Wang, N. Nagaosa, P. Yu and Q.K. Xue. Anomalous Hall effect and spin fluctuations in ionic liquid gated SrCoO3 thin films. Physical Review B 97, 184433 (2018).

27. D. Zhang, Y.J. Wang, N.P. Lu, X.L. Sui, Y. Xu, P. Yu, Q.K. Xue. Origin of the anomalous Hall effect in SrCoO3 thin films. Physical Review B  100, 060403(R) 2019.

28. M. Wang, S.C. Shen, J.Y. Ni, N.P. Lu, Z.L. Li, H.B. Li, S.Z. Yang, T.Z. Chen, J.W. Guo, Y.J. Wang, H.J. Xiang, P. Yu. Electric-Field Controlled Phase Transformation in WO3 Thin Films through Hydrogen Evolution. Advanced Materials 1703628 (2017).

29. M. Wang, X. Sui, Y. Wang, Y.-H. Juan, Y. Lyu, H. Peng, T. Huang, S. Shen, C. Guo, J. Zhang, Z. Li, H.-B. Li, N.P. Lu, A. T. N’Diaye, E. Arenholz, S. Zhou, Q. He, Y.-H. Chu, W. Duan, P. Yu. Manipulate the Electronic and Magnetic States in NiCo2O4 Films through Electric-Field Induced Protonation at Elevated Temperature. Advanced Materials 1900458 (2019).

30. H.B. Li, F. Lou, Y.J. Wang, Y. Zhang, Q.H. Zhang, D. Wu, Z.L. Li, M. Wang, T.T. Huang, Y.J. Lyu, J.W. Guo, T.Z. Chen, Y. Wu, E. Arenholz, N.P. Lu, N.L. Wang, Q. He, L. Gu, J. Zhu, C.W. Nan, X.Y. Zhong, H.J. Xiang, and P. Yu. Electric Field–Controlled Multistep Proton Evolution in HxSrCoO2.5 with Formation of H–H Dimer. Advanced Sciences 1901432 (2019).

目前的研究课题及展望


主持或参与中组部青年拔尖人才支持计划、国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发计划、中国科学院战略先导B及基础研究领域青年团队等科研项目,开展凝聚态物理和材料科学前沿研究。研究方向聚焦于过渡金属化合物电子学和离子学,具体包括:1). 新型过渡金属化合物薄膜材料制备;2). 物态调控新方法及新奇物性探索;3). 新材料及新器件应用探索。

培养研究生情况


现有硕博生4名,联培生1名,科研助理1名,项目聘用1名。本实验室研究课题前沿,聚焦于关联和功能过渡金属化合物材料体系,实验设备先进齐全【包括Laser MBE, PLD, Sputtering, 薄膜XRD,压电力显微镜PFM和综合电学输运测量系统(包括直流和交流,高温和低温)等生长和表征测试设备】。每年计划招收研究生2名,欢迎具有物理、材料、化学和电子等专业背景的优秀大三本科生参加所里的推免招生,或大四学生报考研究生考试。此外,每年计划招收博士后1名。同时欢迎对科研感兴趣的在京本科生来实验室开展中科院“科创计划”等研究课题。

其他联系方式


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