南开大学物理科学学院教授,博士生导师,南开大学超快电镜实验室负责人。2018年入选国家四青人才,2019年入选南开大学“百名青年学科带头人”等人才计划,2020年获天津市杰出青年基金资助,并担任国家重点研发计划青年项目首席科学家。2014年获北京大学凝聚态物理博士学位(导师:俞大鹏院士),博士期间主要从事纳米半导体材料电子结构和载流子超快动力学应变调控及应用研究。毕业后加入美国加州理工学院(Caltech)从事4D超快电子显微镜方向的博士后研究(合作导师:4D超快电子显微镜发明人、诺贝尔奖得主Ahmed Zewail教授),主导开发了超高时空分辨原位液态4D超快电子显微镜技术。2017年加入美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授课题组从事超快电子衍射及原位球差矫正电镜方向的研究,发展了超高时空分辨的4D超快洛伦兹电子显微镜技术和基于射频脉冲电子发生器的新型4D超快电镜技术。2019年受聘于南开大学物理科学学院,牵头建立了南开大学超快电子显微镜实验室。长期从事4D超快电子显微镜、超快阴极荧光等超高时空分辨电子成像与探测技术开发及其在低维量子功能材料的结构、载流子及自旋等动力学中的应用研究。已发表学术论文40余篇,包括以第一/通讯作者发表的 Science、Science Advances (3)、Nature Communicatioins、Advanced Materials、ACS Nano (5)、J. Phys. Chem. Lett.、Appl. Phys. Lett. (2)、Nanoscale等20余篇,并以第一发明人获授权发明专利1项。研究成果多次被Science、Phys.org、Physicsword、Nanotechweb、Advances in Engineering、Liberty Times、World Journal、科学网等选为研究亮点进行专题报道。目前为ACS Nano、Nanotechnology、Appl. Phys. Lett.、Scientific Report、Nanoscale 、Science Bulletin、J. Electron. Mater. 等国际期刊审稿人。曾荣获南开大学青年五四奖章、北京市优秀博士毕业生、北京大学优秀博士毕业生、北京大学优秀博士论文奖、北京大学学术精英、北京大学学术创新奖、首届全国高校电子显微图片大赛一等奖和最高人气奖等荣誉和奖项。更多信息请查看个人主页:https://xuewenf.wixsite.com/xwfu。
在南开大学的大力支持下,我们建立了一个国际一流的综合性4D超快电子显微镜实验室,自主设计搭建了最新一代的4D超快透射电子显微镜(UTEM)、4D超快扫描电子显微镜(USEM)、超快阴极荧光(TRCL)、微区瞬态光谱系统(TA/TRPL)等超高时空分辨电子、光子成像与探测系统。我们旨在探索最小和最快的未知微观世界,将重点发展先进的新型原位UTEM、USEM、TRCL等超高时空分辨的电子成像与探测技术,在空前的时空尺度下研究功能纳米材料在能源转换与信息存储等应用中的形貌及晶体结构演化、能量载流子传输与相互作用等动力学过程与物理机制 。超快电镜实验室将常年招收凝聚态物理、材料物理与化学、超快光学方向的博士生、硕士生及本科生科研项目。每年拟招收2-3名博士生(含直博、硕博连读)、2-3名硕士生、1-2名优秀的本科生,每年拟招聘1-2名具有TEM、SEM、超快光谱、凝聚态物理或功能纳米材料背景的师资博士后。热诚欢迎对4D超快电子显微镜和微观世界超快科学问题感兴趣、勇于挑战新生事物且有责任感的青年才俊加入,共同携手努力创建一个团结、友爱、互助、富有朝气和活力的Nano-Ultrafast Family。有意者请附简历来信联系:xwfu@nankai.edu.cn。
10 | 多场调控下拓扑自旋结构的超快动力学研究 | 国家重点研发计划青年项目 | 首席 | 2020-2025 |
9 | 梯度应变调控下卤化钙钛矿材料载流子动力学的超高时空分辨研究 | 天津市杰出青年基金 | 主持 | 2020-2024 |
8 | 光电功能半导体材料挠曲光伏效应的载流子动力学机制研究 | 天津市自然科学基金重点项目 | 主持 | 2020-2023 |
7 | 超高时空分辨研究梯度应变对二维材料能量载流子动力学的调制作用 | 国家自然科学基金面上项目 | 主持 | 2020-2023 |
6 | Phase Transitions and Materials Interfaces at the Nanoscale | 美国空军科学研究基金(AFOSR) | 骨干 | 2015-2017 |
5 | 弯曲应变对低维人工微结构(纳米线/石墨烯)的电子结构、光学和电学性质的调制作用 | 国家自然科学基金重点项目 | 骨干 | 2013-2017 |
4 | 超导-拓扑绝缘体低维异质结构的制备和物性 | 国家重点基础研究发展计划 | 参与 | 2013-2017 |
3 | 基于电子显微术与探针显微术的原位生长—动态表征—性能测量的方法及其在材料研究中的应用 | 国家973 重大基础研究项目 | 参与 | 2009-2013 |
2 | ZnO纳米线及其阵列 的生长动力学、缺陷杂质的行为,发光及电子输运性质研究 | 国家纳米科技重大研究计划 | 参与 | 2007-2010 |
1 | Fe 纳米线的磁化和反磁化研究 | 国家大学生创新性实验项目 | 主持 | 2007-2009 |
代表性研究成果
5. 新型四维超快电子显微镜技术开发及应用
四维超快电子显微镜集飞秒激光和高分辨电子显微镜于一体,结合了飞秒激光的超快时间分辨率和电镜的超高空间分辨率,被广泛应用于物质超快结构动力学研究和分析,成为球差矫正电镜和冷冻电镜技术之后电子显微学领域又一重要的发展方向。然而,现有的四维超快电子显微镜都需要用到昂贵的飞秒激光系统,成本极高,且飞秒光路系统的构建十分复杂,技术门槛极高,且存在不可避免的光路指向稳定性、脉冲光电子发射稳定性、泵浦源局限于飞秒激光等问题,严重制约了四维超快电子显微镜技术的进一步发展和在全球范围内大规模建设及应用。
针对当前四维超快电子显微镜发展的技术瓶颈和成本高昂等问题,我们提出了一种利用微波行波调制常规场发射连续电子束产生超快脉冲电子束的技术路线及方案,自主研制了一种小型的、可集成于现有各型商用热发射或场发射透射电子显微镜的微波脉冲电子发生器,开发出了国际上首台无需复杂飞秒激光系统的四维超快透射电子显微镜系统,并开发了相配套的原位超快电磁场泵浦调控技术,成功实现了无需飞秒激光、低成本的四维超快透射电子成像技术(Science Advances 6 (40), eabc3456(2020); Rev. Sci. Instrum. 91, 021301(2020);Ultramicroscopy 207, 112829(2019))。利用该自主研发的新型四维超快透射电子显微镜,在皮秒与纳米时空尺度首次实时观测揭示了高频电磁波在微/纳天线微型电子器件中的传播动力学特性。
4. 基于双光子调制的4D超快电子显微镜技术及其在Motto绝缘体超快动力学中的应用
四维超快电子显微镜(4D UEM)以其超高的时空分辨率被广泛应用于超快结构动力学分析,但由于光阴极发射的电子存在能散,且在自由飞行过程中存在较强空间电荷作用,导致其时间分辨率被限制在数百飞秒量级,远大于材料中电子运动的时间尺度(数十飞秒)。近年来,几种电子脉冲压缩方案(如射频压缩、太赫兹压缩等)被提出可进一步提高4D UEM的时间分辨率,但是数十飞秒与纳米时空尺度的成像至今尚未实现,成为4D超快电子显微镜技术进一步发展的关键。为此,我们提出了一种基于自由电子-光子相互作用的新型双色超快泵浦-探测方案,将四维超快电镜的时间分辨提升了一个数量级,在飞秒与纳米时空尺度揭示了单个Mott绝缘体VO2纳米线的绝缘体-金属相变动力学过程(Nature Communications 11 (1), 1-11(2020))。
3. 原位液态4D超快电子显微镜技术及其在功能纳米材料超快动力学研究中的应用
在原子尺度观察物质的结构及其演化的超快动力学过程,是理解物理、材料、化学和生物等学科中众多现象的关键,也是科学家们一直追逐的梦想。4D超快电子显微镜结合了电镜的超高空间分辨率和飞秒激光的超快时间分辨率,使得在超高时空尺度下研究物质的结构变化及能量转换等动力学过程成为可能。但受高真空运行环境的限制,该技术只局限于固态体系(含冷冻样品)的动力学研究。因此,开发原位液态、气态环境4D超快电子显微镜技术对于各种复杂环境下功能纳米材料的超快动力学研究极为关键。代表性研究成果如下:
1)开发了一种可在高真空下维持液态环境且对高能电子和激光均透明的超薄液态样品池器件,进而发展了液态环境4D透射电子显微镜技术 。首次在纳秒和纳米时空尺度下捕捉到了液体中纳米颗粒二聚体的超快弹道旋转动力学过程和在长时间尺度下的随机扩散旋转行为,第一次通过实时图像解开了布朗运动在超短时间尺度下的弹道特性这个世纪谜题 (Science 355, 494-498 (2017)。该成果被等众多媒体选为研究亮点进行广泛报道,如Science杂志评论称:“On the way toward a complete recording of biomolecular function in space and time, the success of Fu et al. with nanoparticles is an important milestone.”
2)通过进一步优化该原位4D技术的性能,研究了水中纳米金颗粒在飞秒激光作用下表面等离激元激发与光热能量转化等动力学过程。首次在纳秒和纳米时空尺度下观察到了纳米金颗粒周围表面等离激元纳米气泡的产生、膨胀和湮灭过程,以及纳米金颗粒在此纳米气泡驱动下的弹道输运和随机游走等动力学行为,提出了一种针对液体环境中纳米机器人的光诱导等离激元气泡驱动机制 (Science Advances 3, e1701160 (2017); ACS nano 15 (4), 6801-6810 (2021))。并进一步成功捕捉到了水中纳米金颗粒之间表面等离激元诱导的团聚与熔合等不可逆物理与化学反应超快动力学过程 (J. Phys. Chem. Lett. 9, 4045(2018))以及GaAs纳米线/金纳米球体系的多元共金反应不可逆超快动力学过程(Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 201708761(2017);Nano Letters19 (2), 781-786 (2019))。
2. 4D超快洛伦兹电子显微镜技术及其在磁性功能纳米材料磁化动力学研究中的应用
复杂电磁环境下的许多电子强关联材料中发生的超快相变动力学过程一直是人们研究的热点和难点,如超导材料的超导相变和磁性材料的磁化-反磁化动力学过程等。这些复杂动力学过程直接决定了材料的物性和相关器件性能。代表性研究成果如下:
1)基于4D超快透射电子显微镜和洛伦兹成像原理,发展了4D超快洛伦兹电子成像技术 (见下图),突破了如超快光学和超快X射线等传统超快磁性成像技术空间分辨率的限制。首次在纳米尺度下实时观察到了不同对称性纳米磁盘中拓扑磁涡旋的超快光致磁化反转动力学行为,并揭示了其磁化反转动力学过程与纳米磁盘微观结构和拓扑序参数间的关系,由此提出了一种基于纳米磁涡旋光热效应的新型快速高密度数据存储方案 (Science Advances 4,eaat3077(2018))。该研究拓展了4D超快透射电镜技术在磁性纳米功能材料超快磁化动力学研究中的应用。
1. 高时空分辨阴极荧光技术和弹性应变对纳米半导体电子能带结构及激子动力学特性的调制及应用
在原子/纳米尺度精确调控功能纳米半导体的电子结构和载流子动力学特性是提升其物性的关键,也是进一步开发高性能光伏器件、光电探测器和光电晶体管等产品的基础。弹性应变可连续改变半导体的晶格常数及结构,被视为可连续调控半导体物性最具潜力的方式之一,例如应变效应晶体管等。因此,在原子/纳米尺度研究应变对半导体电子结构及载流子动力学的调制规律,对提升半导体物性及产品应用具有十分重要的意义。代表性研究成果如下 (见下图) :
1)基于微纳加工与显微操纵技术,解决了针对一维微纳米材料进行精确可控的标准三点、四点弯曲及单轴拉伸等弹性应变加载的技术难题 (专利号 CN103663354B)。结合原位拉曼光谱探测,首次发现了弹性拉、压应变对ZnO纳米线声子的选择性线性调制和尺度依赖效应 (ACS Nano 7(10), 8891 (2013));
2)结合高空间分辨阴极荧光探测,系统揭示了弹性拉、压应变分别对ZnO电子能带结构及激子发光能量的线性红移与蓝移调制规律及相关物理机制 (ACS Nano 10(12), 11469 (2016); ACS Nano 9(12), 11960 (2015));
3)基于超快扫描电子显微镜,发展了全球时空分辨率最高的阴极荧光系统 (~10ps和~20nm时空分辨率)。首次在皮秒和纳米时空尺度观测到了应变梯度场对激子(束缚的电子-空穴对)的驱动效应,确立了半导体中一直备受争议的应变梯度效应及背后物理机制 (Advanced Materials 26, 2572-2579 (2014); ACS Nano8(4), 3412-3420 (2014); Appl. Phys. Lett. 107 (14), 141101 (2015); Science China Materials 57, 26-33 (2014)) 。并发展了一系列基于应变纳米半导体的高性能光电子器件 (Scientific Reports 5 (2015); Appl. Phys. Lett. 105 (7), 073103 (2014); Nanoscale 5, 916 (2013); Appl. Phys. Lett. 100, 22, 3114 (2012); Appl. Phys. Lett. 99, 21, 3107 (2011)),展示了该效应在力、电、光领域的巨大应用潜力。
南开大学是教育部直属重点综合性大学,是敬爱的周恩来总理的母校。新中国成立以来,学校发展始终得到党和国家的亲切关怀。毛泽东主席题写校名、亲临视察;周恩来总理三回母校指导;邓小平同志会见数学大师陈省身,批示成立南开数学研究所;江泽民同志、胡锦涛同志先后视察南开。特别是党的十八大以来,习近平总书记多次对南开的发展给予肯定,并对相关工作回信和勉励,更在百年校庆之际亲临南开视察。
南开大学由严修、张伯苓秉承教育救国理念创办,肇始于1904年,成立于1919年。1937年校园遭侵华日军炸毁,学校南迁。1938年与北京大学、清华大学合组西南联合大学,被誉为“学府北辰”。1946年回津复校并改为国立。
新中国成立后,经历高等教育院系调整,成为文理并重的全国重点大学。改革开放以来,天津对外贸易学院、中国旅游管理干部学院相继并入,经教育部与天津市共建支持,学校发展成为国家“211工程”和“985工程”重点建设的综合性研究型大学。2015年9月,新校区建成启用后,初步形成了八里台校区、津南校区、泰达学院“一校三区”办学格局。2017年9月,入选国家42所世界一流大学建设高校,且为36所A类高校之一。
南开大学坚持“允公允能,日新月异”的校训,弘扬“爱国、敬业、创新、乐群”的传统和“文以治国、理以强国、商以富国”的理念,以“知中国,服务中国”为宗旨,以杰出校友周恩来为楷模,作育英才,繁荣学术,强国兴邦,传承文明,努力建设世界一流大学。
南开大学占地443.12万平方米,其中八里台校区占地121.60万平方米,津南校区占地245.89万平方米,泰达学院占地6.72万平方米。校舍建筑总面积195.19万平方米。按照“独立办学、紧密合作”的原则,与天津大学全面合作办学。
南开大学是国内学科门类齐全的综合性、研究型大学之一。在长期办学过程中,形成了文理并重、基础宽厚、突出应用与创新的办学特色。有专业学院26个,学科门类覆盖文、史、哲、经、管、法、理、工、农、医、教、艺等。
南开大学拥有一支公能兼备、业务精湛、奋发有为、充满活力的师资队伍。有专任教师2202人。其中,博士生导师885人、硕士生导师783人,教授898人、副教授857人。
南开大学具备培养学士、硕士和博士的完整教育体系。有在校学生31418人,其中本科生17005人,硕士研究生10299人,博士研究生4114人。有网络专科学生40230人,网络本科学生73029人。
学校积极构建和发展适应21世纪经济社会发展和人才培养需要的学科体系,有本科专业93个(其中国家级特色专业18个),硕士学位授权一级学科11个,硕士专业学位授权点27个,博士学位授权一级学科31个,不在一级学科覆盖下的二级博士点1个,博士后科研流动站28个。有国家“双一流”建设学科5个,一级学科国家重点学科6个(覆盖35个二级学科),二级学科国家重点学科9个,一级学科天津市重点学科32个,国家级一流本科专业建设点21个,省级一流本科专业建设点2个。有国家重点实验室2个,国家工程研究中心1个,国家地方联合工程研究中心1个,2011协同创新中心3个。教育部重点实验室7个,教育部工程研究中心3个,教育部国际合作联合实验室2个,国家环境保护重点实验室1个,国家人权教育与培训基地1个,教育部人文社会科学重点研究基地6个,省部共建协同创新中心1个,教育部国别和区域研究基地7个(培育基地1个、备案基地6个),示范性国家国际科技合作基地4个。国家级实验教学示范中心5个,国家级虚拟仿真实验教学中心2个,国家虚拟仿真实验教学项目2项,国家基础学科人才培养和科学研究基地9个,国家教材建设重点研究基地1个,国家大学生文化素质教育基地1个,中华传统文化传承基地2个,国家创新人才培养示范基地1个。天津市重点实验室20个,天津市工程技术中心4个,天津市普通高等学校实验教学示范中心14个,天津市普通高等学校实验教学示范中心建设单位1个,天津市国际科技合作基地22个,天津市人文社科重点研究基地9个,天津市高校智库8个,天津市社科实验室5个,天津市爱国主义教育基地1个。
有中国科学院院士11人,中国工程院院士4人,发展中国家科学院院士8人,教育部“长江学者奖励计划”特聘教授44人、青年学者19人,“国家杰出青年科学基金”获得者57人、“国家优秀青年科学基金”获得者39人,国家“万人计划”领军人才27人、青年拔尖人才15人,国家“百千万人才工程”入选者30人,教育部“跨世纪人才基金”获得者21人、“新世纪优秀人才支持计划”入选者158人,国家级有突出贡献的专家22人,国务院学位委员会学科评议组成员16人,国家自然科学基金创新研究群体负责人6人,“国家高技术研究发展计划(863计划)”首席科学家3人,“国家重点基础研究发展计划(973计划)”首席科学家15人,国家重点研发计划项目负责人24人。国家级教学名师奖获得者7人,国家级教学团队9个,教育部“高校青年教师奖”获得者8人。天津市杰出人才8人,天津市“人才发展特殊支持计划”领军人才3人、青年拔尖人才11人、高层次创新创业团队带头人11人,天津市有突出贡献专家7人,天津市杰出津门学者3人,天津市“131”创新人才培养工程第一层次人选63人、创新型人才团队带头人17人,“天津市杰出青年科学基金”获得者40人,天津市级教学名师奖获得者35人,天津市级教学团队18个。
南开大学既是教学中心,又是科研中心,取得了一批国内外公认的优秀成果。2019年,周其林院士领衔完成的“高效手性螺环催化剂的发现”项目获国家自然科学奖一等奖。2007—2018年以第一单位获得国家自然科学二等奖4项,国家科技进步二等奖1项,国家技术发明二等奖1项。获国家教学成果奖46项,国家级精品资源共享课31门,国家级精品视频公开课15门,国家级一流本科课程31门,中国专利优秀奖1项,中国青年科技奖2项,全国百篇优秀博士论文累计入选20篇。2018年以来,南开学者团队以第一完成单位在Science上发表研究论文6篇。
南开大学秉承“知中国,服务中国”的优良传统,立足“四个服务”职责使命,聚焦“一带一路”、京津冀协同发展、雄安新区建设等国家和区域发展战略,积极发挥学科、人才和技术优势,努力为国家和地方经济社会发展服务。习近平新时代中国特色社会主义思想研究院、21世纪马克思主义研究院、亚太经济合作组织研究中心、中国新一代人工智能发展战略研究院、经济与社会发展研究院、滨海开发研究院、人权研究中心、津南研究院、统计研究院、生态文明研究院等研究机构是国家有关部委和地方政府的“智囊团”和“人才库”。学校按照“国家急需,世界一流”的原则,全面对接“创新驱动发展”战略、“中国制造2025”等的实施,积极推动各类协同创新中心和若干高层次交叉科学中心建设,与一批高校、企业、科研院所、政府部门建立了紧密合作关系。
南开大学重视学生德、智、体、美、劳全面发展,构建南开特色的“公能”素质教育体系,探索“课堂教学-校园文化-社会实践”三位一体育人模式。以“注重素质、培养能力、强化基础、拓宽专业、严格管理、保证质量”为教学指导思想,实行弹性学制、学分制、主辅修制、双学位制。注重培育优良校风,大力加强校园文化建设,为学生营造丰富高雅、活泼向上的成长氛围。推进创新创业教育,开办“创业班”,推进“南开大学学生创新创业实践基地”建设,提升学生创新能力,助力学生创业计划落地。大力开展“师生同行”社会实践,搭建师生“受教育、长才干、作贡献”的互动平台。南开毕业生以专业基础扎实、综合素质全面、富于开拓精神和实践能力而受到社会各界青睐。
南开大学有着广泛的国际影响,与320多所国际知名大学和国际学术机构建立了合作与交流关系;有专兼职外国专家400余人,以及来自114个国家和地区的2000余名留学生在校学习;承建了英国格拉斯哥大学孔子学院等8所海外孔子学院;与英国牛津大学、伯明翰大学、韩国SK集团共建国际联合研究中心;与世界经济论坛(达沃斯论坛)、全球大学领导者论坛(GULF)、国际公立大学联盟(IFPU)、国际大学联合会(IAU)、世界工程组织联合会(WFEO)等国际组织保持着密切联系,通过积极参与各类国际组织活动,进一步推动与世界一流大学、机构的实质性、深层次合作。
南开大学先后授予数学家陈省身、物理学家吴大猷、经济学家扬·米尔达尔、美国科学院院士蒋-卡洛·若塔、哈佛大学医学院教授摩斯·居达·福克曼、台湾海基会前董事长江丙坤、美国莱斯大学校长李达伟、世界经济论坛主席克劳斯·施瓦布、新加坡总统陈庆炎、法国宪法委员会主席洛朗·法比尤斯等10位国际著名人士名誉博士称号。诺贝尔奖获得者杨振宁、李政道、罗伯特·蒙代尔、彼得·杜赫提、卡尔·巴里·夏普莱斯、弗农·洛马克斯·史密斯、罗伯特·恩格尔、巴里·詹姆斯·马歇尔、托马斯·萨金特,美国前国务卿基辛格,韩国前总统金大中,欧盟委员会前主席、意大利前总理罗马诺·普罗迪,著名作家金庸等被聘为名誉教授,一批海内外知名学者、著名政治家、企业家任客座教授、兼职教授。
南开大学将深入贯彻落实习近平总书记来校视察重要讲话精神,全面贯彻党的教育方针,坚持社会主义办学方向,落实立德树人根本任务,践行“四个服务”重要使命,加快建设南开品格、中国特色、世界一流大学,培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人,为实现中华民族伟大复兴做出新一代南开人的历史贡献。
(数据截至2020年12月)