鲁年鹏

简介


鲁年鹏,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,在表面物理国家重点实验室SF03组工作, 任特聘研究员, 博士生导师。近期在功能性过渡金属氧化物物相和物性调控方面取得一系列重要进展,在Nature,Nature Commun., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., JPCM等学术期刊上发表多篇研究论文及综述。另外申请PCT国际专利及国内专利多项,获得 “彭桓武博士后”奖学金(2017年)和“清华大学优秀博士后”(2018年)奖励,及由J. Phys.: Conden. Matter期刊评选的“Emerging Leaders 2020”优秀青年科学家称号(2021年)。


主要研究方向


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



复杂过渡金属氧化物,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)─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 >360次; J. Phys.: Conden. Matter 33, 104004 (2021)]



2. 电场控制固态氧离子迁移、相变及磁电耦合(新结构和新机理)─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)]



3. 自支撑氧化物薄膜探索及磁各向异性调控(新方法和新材料)─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(如雪碧,醋酸等)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。[Adv. Funct. Mater. 2111907 (2022)]



4. 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)

1. 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. Adv. Funct. Mater. 2111907 (2022).



2. 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. J. Phys.: Condens. Matter 33, 104004 (2021).



3. 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. Chem. Mater. 33, 3113 (2021)



4. 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 >360次. (News & Views: Functional materials at the flick of a switch. Nature 546, 40 (2017))



5. 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-σ. Nature Commun. 8, 104 (2017).



6. 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 Commun. 8, 2156 (2017).



7. 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). J. Phys.: Condens. Matter 29, 443004 (2017).



8.
N.P. Lu, M. Wang, P. Yu. Electric-field Control of Ionic Evolution in Complex Oxides (Feature article). AAPPS Bulletin 28, 16 (2018).



9. 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. Sci. Rep. 3, 3090 (2013).



10.
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. J. Phys. D: Appl. Phys.  49, 045308 (2016).



11. G.P. Ji, A.L. Ji, N.P. Lu* and 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. J. Cryst. Growth 533, 125459 (2020).



12. 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 Commun. 11, 184 (2020).



13. 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. Phys. Rev. X 10, 021030 (2020).



14. 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. Adv. Funct. Mater. 2100261 (2021).



15. 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. Phys. Rev. B 97, 184433 (2018).



16. 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. Phys. Rev. B  100, 060403(R) 2019.



17. 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. Adv. Mater. 1703628 (2017).



18. 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. Adv. Mater. 1900458 (2019).



19. 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. Adv. Sci. 1901432 (2019).



20. T.T. Huang, Y.J. Wang, H.B. Li, M. Wang, Y.J. Lyu, S.C. Shen, N.P. Lu, Q. He and P. Yu. Tuning the electronic properties of epitaxial strained CaFeO3 thin films, Appl. Phys. Lett. 114, 221907 (2019).



ResearcherID: http://www.researcherid.com/rid/L-8528-2013


目前的研究课题及展望


主持或参与国家自然科学基金委和中国科学院科研项目,开展凝聚态物理和材料科学前沿研究。研究方向聚焦于氧化物电子学和氧化物离子学,具体包括:1). 氧化物薄膜新材料探索;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,聚焦于关联氧化物和功能氧化物材料体系,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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