新型负热膨胀及电磁材料的制备与物性研究

新型负热膨胀材料和电磁材料是近年来材料物理研究领域的一个热点和前沿课题，具有很强的工业和技术应用背景。近年来，课题组针对新型负热膨胀材料和电磁材料的设计、制备及其物理机制展开研究，内容包括A2（MO4）3、ZrV2O7系列负热膨胀材料的性能调控，ZrMIIMVIO12系列、AF3和磁致收缩等新型负热膨胀材料的设计与制备，零膨胀和可控膨胀材料及其功能化等，取得了系列化重要的研究成果。

（1）发明了负热膨胀材料的激光制备和快速烧结制备技术，使能耗降低80%以上、合成时间缩短90%以上，有效解决了负热膨胀材料在工程应用中的主要瓶颈。结合Raman光谱分析，解释了ZrW2O8、HfW2O8、Y2W3O12等材料的结构相变及负热膨胀机理。分析了负热膨胀材料用于氢能源固体燃料电池电极和电解质的可行性，使有效解决固体燃料电池的热胀系数匹配、提高电池寿命和克服电池堆间断裂引起气体泄漏成为可能。此外，还在探索基于性能优异的纳米负热膨胀材料构筑新型结构-功能一体化负热膨胀、零膨胀和可控膨胀材料及应用器件的研制方面做出了尝试。

（2）结合第一性原理计算和有限元计算，阐明了对引起Zn(CN)2和Cd(CN)2负热膨胀具有主要贡献的振动模式，预言了三种新的氟化物负膨胀材料，开展了稀土掺杂负热膨胀材料的制备及性能分析与计算模拟，为制备高性能激光陶瓷奠定了理论和技术基础。在新型电磁材料器件设计及电磁波响应特性理论模拟研究方面，开展了太赫兹波段鱼网结构和共振劈裂环-线结构器件设计、电磁响应特性数值模拟以及高阶模产生的物理基础及其利用研究，为太赫兹波调制、滤波等器件的研制提供了理论指导。

（3）近年来基于等离激元晶体和超颖材料的Fano共振现象成为纳米光子学一个研究热点。Fano共振主要特征表现为：（i）Fano共振通常具有较窄的谱线并且Fano共振频率和线型会随周围环境的变化而发生明显的移动，因此可以作为局域表面等离子体传感器（LSPR-Sensor）应用到生物和化学领域中；（ii）Fano共振是亮模和暗模的杂化（干涉）而形成。暗模的偶极矩几乎为零，因此不能与光进行有效耦合，从而也就不能辐射和展宽，只能局域在近场，因此可以利用暗模式的强局域性来获得巨大的表面电磁场的增强，从而制备表面增强光谱基片，应用在生物和化学分子的探测和分析上；（iii）利用相干超颖材料中的Fano共振现象，在外场的作用下每个单元结构可以产生相干激发振荡，这些暗模的集体共振可以作为高品质因子的电磁辐射相干源（lasing spaser），应用到纳米激光器的设计上。基于Fano共振的上述特点，课题组利用巧妙器件设计，探索了 Fano共振效应在单分子探测、高灵敏传感、光谱增强、纳米光源等领域实际应用的技术途径，研究了具有多功能的新型光电材料芯片，这些研究将为等离激元晶体和超颖材料走向实际应用提供重要的理论依据。