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于剑
 
发布时间: 2016-06-12 

于剑,男,19734月生于山西省阳城县。理学博士,东华大学功能材料研究所教授。19956月吉林大学材料科学系材料科学专业毕业,获工学学士学位;19986月南京大学物理系凝聚态物理专业毕业,获理学硕士学位;20024月中国科学院研究生院,上海技术物理研究所微电子与固体电子专业毕业(在职),获理学博士学位。19988月至20042月在中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室工作,历任研究实习员、助理研究员、副研究员;20043月至20048月在德国马普微结构物理研究所做洪堡学者;20049月至20068月在日本东京工业大学应用陶瓷研究所做日本学术振兴会外国人特别研究员;200610月至20164月在同济大学功能材料研究所/材料科学与工程学院工作,教授/上海高校特聘教授(东方学者)、博导;20165月起在东华大学功能材料研究所工作。获得中国科学院院长奖特别奖和全国百篇优秀博士学位论文奖、获聘上海高校特聘教授(东方学者)、入选教育部新世纪优秀人才计划和上海市浦江人才计划。

主要研究方向:

  1. 钙钛矿结构氧化物功能材料基因组学

  2. 高温磁电、压电多重铁性新材料

  3. 压电陶瓷材料器件一体化技术

  4. 结构相变和纳米结构铁电、光电信息材料

主要研究成果:

  1. 铁酸铋基多重铁性陶瓷材料的损耗与结构相变研究BiFeO3的高温铁电和高温多重铁性(multiferroicism)近年来让人爱恨交加,制备单相、高阻、低损耗BiFeO3样品是材料工作者面临的巨大挑战。本课题组发展了基于多元固溶体原理的组合元素掺杂替代技术、提高了BiFeO3钙钛矿结构相的热力学稳定性,澄清了BiFeO3陶瓷低电阻、高介电损耗的空位机制。成功制备了系列高阻改性铁酸铋基陶瓷样品,发现了丰富的铁电、磁、晶体结构相变特性,首次发现了一个负热膨胀系数的铁弹中间相。采用材料基因组数据挖掘方法建立了钙钛矿结构氧化物铁电相变居里温度、结构相变温度与原胞元素约合质量(μ)间的定量关系:TC = a+bμ+cμ2;并从结构相变理论揭示了它们的内在关系以及决定铁性相变性质的主导因素。用 T=a+bμ+cμ2 关系定量地描述了Bi1-xLaxFe1-yTiyO3Pb0.6-xCaxBi0.4(Ti0.75Zn0.15Fe0.1)O3BiFeO3-Bi(Zn0.5Ti0.5)O3-PbTiO3等体系的铁电相变温度、晶体结构相变温度与约合质量的关系。在钙钛矿结构铁电材料中采用材料基因组自旋工程构筑了亚铁磁序和寄生铁磁序,铁磁相变居里温度在室温以上可调。已在高温多重铁性陶瓷新材料研究方面奠定了坚实的物理化学基础并实现了突破,高压电、磁电性能多重铁性新材料的研发收获可期。

  2. 高温、高压电性能铁电陶瓷新材料。对钙钛矿结构BiFeO3-Bi(Zn0.5Ti0.5)O3-PbTiO3三元固溶体,发展了调控材料体积热膨胀系数制备机械性能优良的高温、高压电性能铁电陶瓷新材料的理论和技术,得到居里温度高达700oC、具有结构相界的钙钛矿结构铁电压电陶瓷新材料体系。采用材料基因组数据挖掘方法发现并理论论证了铁电陶瓷压电常数d33与介电常数ε33的定量关系: ,为高压电性能铁电陶瓷新材料的研发和评估指明了方向。在钙钛矿结构BF-BZT-PTBF-BZT-BT三元固溶体中通过构建结构相界,分别获得了与钨青铜结构偏铌酸铅、层状类钙钛矿结构钛酸铋体系相等居里温度、但压电性能更优的新材料。同时,实验发现这些三元固溶体的结构相界位置、居里温度和压电性能都表现出复杂的晶粒尺寸效应。结构相界虽然本质上有利于获得高压电活性,但晶粒尺寸、残余内应力等外在因素对压电活性存在显著的影响。实验确定了铁酸铋基系列铁电陶瓷材料中残余张应力与负热膨胀系数铁弹中间相的关系和对铁电极化反()转的钉扎效应,提出了后续热处理等清除残余应力的方案。现正在进一步发展材料制备技术以制作低应力、低缺陷浓度、大晶粒尺寸铁电压电陶瓷,为铁酸铋基高温、高压电活性铁电陶瓷新材料的开发及其应用积极工作

  3. 巨各向异性Pb0.6-xCaxBi0.4(Ti0.75Zn0.15Fe0.1)O3铁电压电陶瓷新材料。研发出一种具有优良机械强度、大结晶学各向异性的Pb0.6Bi0.4(Ti0.75Zn0.15Fe0.1)O3铁电压电陶瓷新材料,室温耐压强度超过8kV/mm,居里温度705oC、介电常数εr =  200。通过Ca替代Pb实验,初步证实了应变能对极化反()转的限制作用,15%Ca替代时d33提高到了58pC/Nεr = 270tanδ = 2.1%kt = 0.30kp → 0.00Qm = 30Nt = 1860HzmTC = 325oC18%Ca替代时:d33 = 80pC/Nεr = 380kt/kp µQm = 50TC = 237oCPb0.6-xCaxBi0.4(Ti0.75Zn0.15Fe0.1)O3材料的压电性能优于改性钛酸铅各向异性铁电压电陶瓷材料,为应用提供了更大的性能调控空间。

  4. 铁电压电陶瓷材料器件一体化新技术。发展了基于固相反应低熔点共熔(eutectic)行为理论的钙钛矿结构氧化物的本征低温烧结技术,在PbTiO3-PbZrO3-Bi(Zn0.5Ti0.5)O3PbTiO3-PbZrO3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Bi(Zn0.5Ti0.5)O3PbTiO3-BiFeO3-Bi(Zn0.5Ti0.5)O3等钙钛矿结构三()元固溶体中,发明了三种具有本征低烧结温度特性的铁电压电陶瓷新体系,探索了不同掺杂元素对压电性能的影响。对于上述压电陶瓷材料,委托西安康弘新材料科技公司,采用他们的工艺进行了层叠压电陶瓷作动器加工,成功试制了与Ag电极材料共烧多层压电陶瓷作动器。针对铁电压电陶瓷的脆性弱点,采用不同微量元素组合添加,已在PMnN-PMnS-PZTPMgN-PZTPMgN-PZN-PZT等多种体系中实现了压电陶瓷的穿晶断裂,实验发现:断裂模式不仅与微量添加元素相关、还与压电陶瓷的主成分、晶粒尺寸等因素密切相关。

  5. 高致密偏铌酸铅高温铁电压电陶瓷材料技术。偏铌酸铅铁电压电陶瓷具有高使用温度、大各向异性、低机械品质因数等特点,在石油测井、水声、无损检测等领域有着广泛的应用。偏铌酸铅基铁电压电陶瓷应用的主要障碍是陶瓷烧结不致密,具有疏松的显微组织结构,从而导致材料机械强度差、极化困难、成品率低、一致性差、重复性低等问题,严重制约了偏铌酸铅基压电陶瓷材料与器件在国内的生产与应用。美国产品的妙处就在于很好的解决了这一问题,奠定了其在换能器研制与应用方面的坚实基础和垄断地位!本人采用组合元素掺杂技术,获得了高致密显微组织结构的偏铌酸铅压电陶瓷。一方面证明了美国偏铌酸铅压电陶瓷制品的优势之所在,另一方面也解决了国产化的问题。优选出了一个材料配方:TC ~ 500oCd33 = 90pC/Nε33T0 = 300kt = 0.35Qm = 15Nt = 1578Hzm。已向兄弟单位提供小批量25mm陶瓷元件,用于研制石油测井超声换能器。

 

获奖与荣誉:

  1. 2008年上海高校特聘教授(东方学者)计划

  2. 2007年教育部新世纪优秀人才计划

  3. 2007上海市浦江人才计划

  4. 2004年德国洪堡学者

  5. 2004-2006年日本学术振兴会外国人特别研究员

  6. 2004年度全国百篇优秀博士学位论文奖

  7. 2005年度上海市研究生优秀成果(学位论文)

  8. 2002年度中国科学院院长奖特别奖

  9. 2001年度上海市科技进步奖三等奖(第五完成人)

 

主持/参加科研项目及人才计划项目:

1.中央高校基本科研业务费专项资金(同济大学),钙钛矿结构氧化物离子剪裁原理与电学特性研究、2011/07-2013/0620.0万元、已结题、主持。

2.国家自然科学基金面上项目(苏州职业大学负责)50875181、基于层叠式压电陶瓷作动器的直线型超声电机研究、2009/01-2011/1231.0万元、已结题、参加。

3.东方学者(上海高校特聘教授)2009/01-2011/12,材料学。

4.教育部新世纪优秀人才计划,NCET-07-0624、新型高温压电、磁电功能材料与器件设计开发、2008/01-2010/1250.0万元、已结题、主持。

5.上海市浦江人才,07pj14087、新型高温压电、磁电功能材料设计开发、2007/10-2009/0930.0万元、已结题、主持。

6.教育部百优作者专项,200744、高温单相磁电多重铁性材料的设计与开发、2007/01- 2009/1242.0万元、已结题、主持。

7.国家自然科学基金青年基金,10304021、纳米铁电材料的量子特性研究、2004/01-2006/1230.0万元、已结题、主持。

 

教学工作:

本科教学:主讲《无机功能材料》热与机械性能部分;

硕士教学:主讲《材料科学导论》、《无机功能材料化学》、《多重铁性材料物理》、《陶瓷导论》、《固体物理》磁性部分

博士教学:主讲《材料的结构与性能》磁性部分。

  

代表著述:

  1. Jian Yu* and Junhao Chu, Progress and prospect for high temperature single phase magnetic ferroelectrics, 科学通报, 53(14), 2097-2112 (2008) .

  2. Linlin Zhang, and Jian Yu*, Robust insulating La and Ti co-doped BiFeO3 multiferroic ceramics, J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 27, (2016). DOI:10.1007/s10854-016-4895-5

  3. Linlin Zhang, and Jian Yu*, Residual tensile stress in robust insulating rhombohedral Bi1-xLaxFe1-yTiyO3 multiferroic ceramics and its ability to pin ferroelectric polarization switching, Appl. Phys. Lett. 106, 112907(2015).

  4. Linlin Zhang, Jian Yu*, and Mitsuru Itoh, Structural phase transitions of robust insulatingBi1-xLaxFe1-yTiyO3 multiferroics, J. Appl. Phys. 115, 123523 (2014).

  5. Jian Yu*, Feifei An, and Fei Cao, Ferroic phase transition of tetragonal Pb0.6-xCaxBi0.4(Ti0.75Zn0.15Fe0.1)O3 ceramics: Factors determining Curie temperature, Jpn. J. Appl. Phys. 53, 051501(2014).

  6. Linlin Zhang, Xianbo Hou and Jian Yu*, Ferroelectric and piezoelectric properties of high temperature (Bi,La)FeO3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3 ceramicsat rhombohedral/tetragonal coexistent phase, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 081501 (2015).

  7. Xianbo Hou, and Jian Yu*, Perovskite-structured BiFeO3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3 solid solution piezoelectric ceramics with Curie temperature about 700oC, J. Am. Ceram. Soc. 96(7), 2218-2224 (2013).

  8. Feifei An and Jian Yu*, Electrical properties of high Curie point Pb0.6Bi0.4 (Ti0.75Zn0.15Fe0.10)O3 ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 93(6), 1569-1571 (2010).

  9. Yang Lin, Linlin Zhang, and Jian Yu*, Piezoelectric and ferroelectric property in Mn-doped 0.69BiFeO3-0.04Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-0.27BaTiO3 lead-free piezoceramics, J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 27(2), 1955-1965(2016).

  10. Yang Lin, Linlin Zhang, Weilin Zheng, and Jian Yu*, Structural phase boundary of BiFeO3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-BaTiO3 lead-free ceramics and their piezoelectric properties, J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 26(10), 7351-7360 (2015).

  11. Ruifang Yue, Xianbo Hou, Wenze He and Jian Yu*, Piezoelectric Properties of Fine-Grained Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O3 Quaternary Solid Solution Ceramics, Jpn. J. Appl. Phys. 52(6), 061502 (2013).

  12. J. Yu, X. J. Meng, J. L. Sun, Z. M. Huang,et al., Optical and Electrical Properties of Highly (100)-Oriented PbZr1-xTixO3 Thin Films on the LaNiO3 Buffer Layer, J. Appl. Phys. 96(5), 2792-2799 (2004).

  13. J. Yu, Z. M. Huang, X. J. Meng, J. L. Sun, et al., Infrared optical properties of LaNiO3-platinized silicon and PbZrxTi1-xO3-LaNiO3-platinized silicon heterostructures, Appl. Phys. Lett. 78(6), 793-795 (2001)

  14. J. Yu, J. L. Sun, J. H. Chu, and D. Y. Tang, Light emission properties in nanocrystalline BaTiO3, Appl. Phys. Lett. 77(18), 2807-2809 (2000).

  15. Jian Yu* and Junhao Chu, Nanocrystalline Barium Titanate, in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, vol.17, pp27-64, ed. by H. S. Nalwa, American Scientific Publishers, (2011).

 

专利:

  1.  于剑,高温单相亚铁磁-铁电多重铁性陶瓷材料及其制备方法,中国,专利授权号:ZL 2008 1 0035703.2 授权公告日:2011.06.22

  2.  于剑,具有低温烧结特性的铁电陶瓷、工艺方法及应用,中国,专利授权号:ZL2008 1 0035704.7 授权公告日:2012.02.29

 

代表性学术会议:

  1. Jian Yu, Linlin Zhang, Xianbo Hou, Yang Lin, Weilin Zheng, Materials genome approach for novel perovskite-type ferroelectrics with high Curie temperature and piezoresponse (invited), The 7th Japan-China Symposium on Ferroelectric Materials and Their Applications, Aug. 26-29, 2015, Beijing, China.

  2. Jian Yu, and Linlin Zhang, Ferroic structural phase transitions in insulating multiferroic BiFeO3-based Ternary Solid Solutions (invited), The Joint Conference of 9th Asian Meeting on Ferroelectrics & 9th Asian Meeting on Electroceramics Oct. 26-30, 2014, Shanghai, China

  3. Yang Lin, and Jian Yu, Preparation and multiferroic properties of high temperature BiFeO3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-BaTiO3 lead-free ceramics (oral), The Joint Conference of 9th Asian Meeting on Ferroelectrics & 9th Asian Meeting on Electroceramics Oct. 26-30, 2014, Shanghai, China

  4. 张林林侯现博,于剑,新型高温高性能BiFeO3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3铁电压电陶瓷(oral),第十五届全国电介质物理、材料与应用学术会议,2014524-26日,湖南湘潭.

  5. Jian Yu, Linlin Zhang, and Xianbo Hou, High Insulating Modified-BiFeO3 Multiferroic Ceramics (oral), at the 8th Asian Meeting on Electroceramics (AMEC-8), July 1-5, 2012 Penang, Malaysia.

  6. Xianbo Hou and Jian Yu, Piezoelectric Properties of High Temperature Perovskitestructured 0.35PbTiO3-0.15Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-0.5(Bi1-xLax)FeO3 Ceramics (oral), at the 8th Asian Meeting on Electroceramics (AMEC-8), July 1-5, 2012 Penang, Malaysia.

  7. Jian Yu, Linlin Zhang, and Xianbo Hou, High temperature multiferroic compounds: from BiFeO3 to Bi2FeCrO6 (poster), Nature Conference “Frontiers in Electronic Materials”, June 17-20, 2012, Aachen, Germany.

  8. Jian Yu, and Xianbo Hou, High temperature perovskite-structured BiFeO3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3 piezoelectric ceramics (oral), The 4th Japan-China Symposium on Ferroelectric Materials and Their Applications, Nov. 7-10, 2012, Matsushima, Miyagi, Japan.

  9. 张林林, 于剑, 高阻Bi1-xLaxFe1-x/2Tix/2O3陶瓷的制备与性能研究(oral), 中国材料大会2012年会, 2012713-18,山西太原.

  10. Ruifang Yue, Xianbo Hou, and Jian Yu, Monolithic technology of soft-type piezoceramic transducer (oral), at the 12th European Meeting on Ferroelectricity, Bordeaux France, on Jun. 26-Jul.1, 2011.

  11. Jian Yu, Feifei An, Tingting Wang, Wenze He. Phase Transition of Pb0.6Bi0.4(Ti0.75Zn0.15 Fe0.1)O3-based Solid Solutions (oral), 7th Asian Meeting on Ferroelectricity and 7th Asian Meeting on ElectroCeramics, June 28-July 1, 2010, Jeju, Korea.

  12. Jian Yu, Magnetic Properties of Novel High Temperature Perovskite-Type Single-Phased Magnetoferroelectrics, (oral)A joint meeting of 12th Int. Meeting on Ferroelectricity and 18th IEEE Int. Symp. on Applications of Ferroelectrics, Aug. 23-27, 2009 Xi'an, China.

  13. 于剑, 高温单相磁电多重铁性材料设计与开发(邀请报告),2008第十二届全国电介质物理、材料与应用学术会议, 西安交通大学, 2008418-20日. 多重铁性材料分会主持.

  14. Jian Yu, Pressureless Low Temperature Sintering PZT Ceramics for Ultrasonic motors (invited),The 4th International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in ActuatorsSept. 12-14, 2007, Nanjing, China.

  15. 于剑, 高温单相磁电多重铁性材料设计与开发(口头报告), 2007年中国物理学会秋季会议, 南京大学, 2007918-20日.

 

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联系方式:

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