2022年CAIA獎一等獎：多頻率原子力顯微術及其在新材料和器件研究中的應用
完成單位：暨南大學理工學院；中山大學測試中心；中山大學物理學院；廣州中源儀器技術有限公司
完成人：謝偉廣，龔力，丁喜，周洋，時婷婷，黎晉良，陳科，羅永震，劉彭義，陳建
成果簡介：闡明材料在力、熱、光、電等物理場作用下，微納尺度性質與宏觀物理、化學特性及器件性能的關聯是當前分析測試領域的一個關鍵科學問題。本成果以掃描探針顯微技術為主體，基于多頻率調制的原理，以靜電和磁作用為例實現了大氣環境下長程相互作用亞10 nm的空間分辨成像，并應用于材料和器件中多場相互作用的研究。本成果研究了低維氧化物半導體、鈣鈦礦材料和有機分子框架三種材料體系中力、熱、電、光等物理場相互耦合行為，揭示了以極性氧化物天然低損耗雙曲聲子極化激元、低維穩定光電/鐵電極化及分子力誘導構效關聯行為為代表的一系列新現象。進一步我們將原子力顯微技術與器件測試技術結合，在器件層面揭示了多物理場作用下缺陷誘導的結構失穩與鈍化機制，界面的光電轉換及電輸運作用機制。研究成果推動了太陽能電池、場效應晶體管、光電探測及存儲器件和電化學電池新工藝的開發和新結構的設計，給器件性能帶來了大幅度的提升。
研究成果在Advance Materials，Nature Communications等高水平期刊發表SCI論文100篇，獲授權專利15項，獲授權軟件著作權3項，多項研究成果被國內外權威研究人員在Nature、 Science等高水平期刊上多次正面評述，被認為推動了領域的實質性進展。
創新點及科學價值：
項目致力于提高大氣環境下原子力顯微鏡（AFM）物性測量的空間分辨率；應用AFM技術揭示微納尺度多物理場作用、耦合與材料物性的關聯；進一步結合多種表征、測試技術實現跨尺度表征能力，揭示微觀過程與宏觀效應的關聯；最后應用于新器件的研發及性能改善。具體創新點如下：
創新點1：提出并實現了大氣環境電、磁力亞10納米空間分辨的成像。
創新點2：揭示了半導體材料中微納尺度的多物理場耦合行為新現象，代表性的，首次發現層狀MoO3極低損耗的雙曲聲子極化激元；示了鈣鈦礦中巨光致伸縮行為的機制以及低維體系中缺陷釘扎穩定鐵電極化的機制。
創新點3：通過原位/準原位的表征揭示了PN結、FET中缺陷及界面對光電轉化、載流子及離子輸運的作用機制，籍此發展了有效的缺陷和界面處理工藝，實現了器件性能的提升。
該項目發展了現有的AFM技術，獲得了具有自主知識產權的表面分析技術；應用相關技術在材料和器件研究中開展了深入的工作，揭示了新的科學現象，充分闡明了科學原理并應用于改善半導體及新能源器件性能，獲得具有國際領先水平的研究成果。
社會經濟效益：掃描探針顯微鏡是納米科技的核心技術支撐，是一個國家和地區的納米科技甚至整個高科技發展水平的重要標志之一。本項目突破了大氣環境原子力顯微鏡高空間分辨率的物性測量技術瓶頸，相關技術已經在廣州塞恩科學儀器有限公司、廣州本原納米儀器有限公司和廣州中源儀器技術有限公司完成了初期的推廣應用并實現了生產銷售，產生經濟效益。
應用前景：技術應用可打破國外廠商的壟斷局面，進而參與國際競爭，將極大地提升國產掃描探針顯微鏡核心技術水平和國際競爭力。
