多功能磁性材料研究成果介绍

科技兴则民族兴，科技强则国家强。

“中国要强盛、要复兴，一定要大力发展科学技术，成为世界主要科学中心和创新高地。

从改革开放到进入21世纪以来，从“向科学进军”到“迎来创新的春天”，从“占有一席之地”到“成为影响重大的科技强国”……中国科技创新迅速发展，离不开我国一代又一代科研人员的的奋力开拓，新时代新征程新高地，离不开那些追梦路上播种未来的广大科技工作者。

北京航空航天大学集成电路科学与工程学院的王聪教授研究团队，多年来一直从事负(零)热膨胀功能材料、“反钙钛矿”化合物磁、电多功能物性，以及太阳能光热转换关键材料与技术方面的研究工作。“反钙钛矿”化合物的磁、电多功能物性包括其磁热效应，压热效应、磁致伸缩，压磁效应，零电阻温度系数行为、反常霍尔效应、自旋霍尔效应等;太阳能光热转换关键材料与器件涉及太阳能集热器、耐高温长寿命太阳光谱选择性吸收涂层(光-热转换多层膜)、辐射制冷薄膜等。

迄今为止，王聪教授研究团队已经完成或正在承担国家自然科学基金面上项目/重点项目、科技部重点专项子课题、国家863项目、航天科技支撑计划项目等约30余项，取得了良好的科研成果。研究团队在Adv. Mater. ,Phys. Rev.系列，Chem. Mater.等刊物上发表论文超过200篇，SCI他引超过3800次;授权国家发明专利15项，2012年获教育部高等学校科学研究优秀成果自然科学二等奖，2020年获中国材料研究学会科学技术二等奖，王聪教授也连续三年获得爱思唯尔“中国被高引学者”。

王聪教授表示，在新一代磁随机存储器、尤其是自旋轨道耦合主导的磁存储器(SOT-MRAM)的新材料研发工作中，研究团队聚焦于反钙钛矿结构类型的磁性化合物和3:1的锰基合金化合物开展研究，此类材料具有丰富的磁结构及其关联的物性，尤其非共线反铁磁态及其“晶格-自旋-电荷”强关联特征吸引了更多的关注;近几年3:1的锰基合金化合物体系在自旋调控方面的研究更成为自旋电子学材料领域的研究热点。随着在反钙钛矿结构锰氮化合物材料体系中相继发现反常霍尔效应、自旋霍尔效应以及自旋翻转的调控后，这类具有特殊组态的非共线反铁磁结构的反钙钛矿薄膜材料的研究受到了广泛的关注。自旋霍尔效应以及与之相关的自旋极化现象同这种特殊组态的磁结构密切相关，在低对称的非共线反铁磁外延薄膜或单晶中可以产生非传统的自旋轨道矩(SOT)，并且可以通过调控材料的反铁磁有序结构来操纵非传统的自旋轨道矩。因此，可以通过非共线自旋有序结构的设计和制备来实现对自旋极化方向进行有效调控，进而产生和操控自旋流。非共线自旋有序结构的调控可以通过引入应力、化学掺杂、或其它外部激发来实现。除此之外，自旋霍尔效应所产生的自旋极化将向邻近的铁磁或反铁磁层施加自旋轨道矩(SOT)从而调控邻近磁层的自旋取向，为新型磁隧道结(MTJ)的设计提供了新的思路。

近年来，精密磁电功能器件是先进智能材料研究重要方向之一，物理学中追求物性的不变，突变与反常变化一直是永恒的话题。反钙钛矿化合物由于“晶格-自旋-电荷”的强关联特征显示出丰富的物理性质，并且对化学掺杂，外场(热、力、磁)变化十分敏感，因此成为新型智能材料的研究热点。王聪教授研究团队长期研究此类材料的反常物性，尤其是宽温域零膨胀或负膨胀功能材料的研究，他们通过国家大科学装置，如中子衍射和同步辐射技术分析晶体结构、磁结构及其相变等，揭示这些物性产生的本质及其调控规律，获得了覆盖室温，温区超过200度的近零膨胀材料，且温区可调、膨胀系数可调，将来有望用于精密器件、光学器件、航空航天材料、低温密封等。

另一方面，当今世界能源问题已成为制约人类可持续发展的瓶颈，太阳能作为一种可再生的清洁能源，越来越引起人们的高度重视。太阳能的利用分为光电、光热、光化学能、光生物能的转换，其中光热转换的关键器件-集热器，迫切需要高效光热转换的薄膜材料技术。太阳光谱选择性吸收涂层可以获得高的太阳光谱吸收率和低的红外辐射率，从而获得高的光热转换效率，其广泛用于太阳能集热器、尤其用于槽式聚焦太阳能热发电集热管。王聪教授研究团队在太阳能光热转换涂层材料的膜系设计、制备工艺、结构分析、光学性能与热稳定性方面做了大量研究工作。他们通过工艺优化、金属陶瓷吸收层的结构设计，和层内微结构的设计与调控，结合有效介质理论的计算，研究了涂层光学性能，如太阳能吸收率和红外发射率与制备工艺、微结构的关系，获得了高的吸收率与低的红外发射率，并在此基础上获得提高涂层热稳定性的方法与途径，目前已获得耐高温800度以上的光谱选择性吸收涂层体系。为太阳能中高温热利用，尤其是热发电、开发中高温太阳能集热管奠定了坚实基础。光热转换的逆效应是辐射致冷，如何设计并获得低吸收率、高辐射率的高辐射材料也是其团队的主要课题之一。高辐射材料结合高热导材料可用于节能、降温、散热等，如芯片、电子器件的散热、光伏面板散热、航天、航空器的热控等。他们应用磁控溅射镀膜技术制备无机材料光学多层膜，获得在可见光波段具有高反射率、红外波段高辐射率的光谱特征，通过在不同的红外波段调控高的红外发射率、以起到散热、制冷的作用。值得一提的是，辐射制冷光学薄膜因其无功耗的被动辐射制冷优势也有利于实现“双碳”目标。

此外，光伏-光热一体化应用中的分光膜，因其在可见光波段具有高透过率、在红外波段具有高吸收率或高反射率，可将不同波长的光分流，比如：可见光可用于光伏电池，红外光可用于热能转化与应用，从而扩展太阳光谱利用范围，既可通过光伏电池可以直接产生电能，又可通过集热器或热电材料直接产生热能或二次产生电能，从而有效提高太阳能利用效率。如何高效、充分利用太阳能是可持续能源领域的重要课题，为此，王聪教授研究团队同时致力于光伏-光热宽光谱应用的分光膜研发与产业化，目前在太阳能应用技术领域具有重要应用价值与广阔的市场需求。

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