实验室研究方向：新型薄膜材料实验室设有三个研究方向：材料结构和性能的模拟与设计、新型薄膜材料的制备与应用、低维材料中新奇物理现象研究。三个研究方向在纳米尺度上形成了从理论设计到材料制备、性能调控、器件制造的综合研究平台：
研究方向一：材料结构和性能的模拟与设计
主要研究多面体团簇结构设计与性质调控，探究团簇的高稳定性和多形性的物理根源；研究低维体系中的物理现象，找寻新的物理规律，指导设计与开发新的功能薄膜材料和器件；研究量子材料中自旋电子学相关的新效应，为新型自旋电子学材料的设计提供理论支持。。近年来主要在以下几个方面开展研究：
1.纳米体系量子调控：利用第一性原理方法，研究碳、硼、硅及贵金属团簇稳定性、结构的动力学演化和磁性，研究二维材料生长机理，研究材料的氢、氧等分子的吸附性质，从物理角度分析表面和界面的化学催化机理。实现对纳米体系材料的优化设计和性质调控。
2.自旋电子学相关的材料计算模拟研究：利用第一性原理计算，借助n-p共掺杂方法，开展拓扑绝缘体中高温量子反常、自旋霍尔效应，石墨烯铁磁化、Rashba自旋劈裂效应等性质的研究，为新型自旋电子学材料的设计提供理论基础。
3.低维体系电磁特性研究：基于第一性原理结构演化搜索结合密度泛函理论，研究具有高稳定性、较高磁转变温度、新奇电子性质的二维磁性材料，为验上新型室温二维磁性半金属的合成以及性质探究提供理论指导。
发展目标：
夯实在国内领先地位，并在纳米体系材料的优化设计和性质调控、掺杂对材料物性的调控研究等方面达到国际先进水平。具体目标如下：通过不断研究积累，在团簇性质预测、二维材料性质模拟与调控、材料储氢、表面催化，新型自旋电子学材料设计及模拟等方面形成一系列有代表性的工作，逐步形成在国内外有较大影响的凝聚态物理研究团队。
近三年的主要研究进展：
1）从理论上研究了具有S波超导体近邻效应的有限尺寸（如三角形和菱形）Kane-Mele型拓扑绝缘体纳米片的电子特性。
2）基于第一性原理计算，设计并系统研究了新型二维Janus材料Fe2BN单层的物性。
3）首次提出了一种基于二十面体B12团簇的新型二维半导体硼同素异形体（h-B12），并聚焦于探索h-B12的结构稳定性、电子特性以及机械性能。
4）采用密度泛函理论和分子动力学方法，预测了两种基于B12二十面体的二维金属硼化物（Cr2B12和Mn2B12），且其分别表现出铁磁半金属和反铁磁半导体性质，并能够通过应变有效调控体系的磁转变温度。
5）首次提出了20个钪原子和60个碳原子组成的稳定的、中空的排球烯(Volleyballene)；基于硼双环结构构建了新的硼纳米结构，研究了它们的结构稳定性、电子特性和储氢特性；研究了硅烯/硅烷的结构稳定性、电子结构和储氢特性。上述研究结果发表在Physical Review B、Applied Physics Letters、Nanoscale等国内外重要学术期刊上，共发表SCI收录论文77余篇，其中SCI二区以上学术论文45篇。
研究方向二：新型薄膜材料的制备与应用
主要研究多种重要功能薄膜材料不同制备方法，为实现不同功能所需基本物理机制，探讨包括磁性能、电输运、热输运及其耦合机理。近年来主要在以下几个方面开展研究：
1. 功能材料微结构及物理特性研究：探索典型磁性金属及磁性氧化物的磁有序的物理机制；提高n型氧化物热电材料SrTiO3以及R-P相SrO[SrTiO3]n (n = 1, 2, 3)的性能。
2. 阻变存储器（RRAM）材料研究：研究金属氧化物半导体薄膜和钙钛矿氧化物薄膜材料的阻变效应；探讨阻变过程对器件磁性的影响，探究阻变及磁变的物理机制；寻找性能优异的薄膜材料，探索提高阻变和磁变性能的方法和途径。
3. 复合防伪薄膜与多孔稀磁半导体薄膜研究：探讨有序多孔金属氧化物薄膜的生长机制；探究有序多孔金属氧化物薄膜的磁电耦合现象，并为其在多功能存储器的研制提供物理基础；研究新型有序多孔金属氧化物薄膜的结构色，使其在多方面实用化。
4. 过渡族金属化合物磁电耦合功能研究：研究过渡族金属氧化物中基于非共面的拓扑霍尔效应；探讨过渡族金属氮化物中基于二维六角密排面共性的不同相结构演化规律；研究Heusler过渡族金属间化合物中基于磁场诱发一级磁相变、动力学阻止和补偿亚铁磁性的自发交换偏置效应。
5. 二维类石墨烯原子晶体量子特性研究： 探究半导体衬底上二维类石墨烯原子晶体可控生长；研究应变和过渡金属掺杂对类石墨烯原子晶体电荷和自旋的调制作用，探究其中可能出现的新奇量子特性。
发展目标：
在功能薄膜材料的实验室制备、物理机制分析方面达到国内一流研究水平。其具体目标为：改善器件的阻变和磁变性能、掌握有序多孔金属氧化物薄膜的生长及典型磁性金属和磁性氧化物的磁有序的物理机制，为RRAM及磁性开关器件的研制提供科学依据。掌握二维类石墨烯原子晶体的可控生长，实现对电荷自旋的可控调控，为自旋电子器件的发展提供科学依据。逐步形成在国内外有较大影响的新型薄膜材料研究团队。
近三年的主要研究进展：
1）通过在四层RG下方引入MoS₂衬底，利用其近邻自旋–轨道耦合（SOC）效应，在平带填充数为≈60%与≈70%的区域观测到由相互作用驱动的谷间相干序（intervalley coherent order）。
2）成功制备了三至九层的高质量菱形堆垛石墨烯，并通过扫描隧道显微镜和扫描隧道谱，研究了这些系统中层依赖的电子结构和电子关联现象。
3）研究了具有大比表面积的、无掺杂的多孔WO3纳米阵列薄膜的室温铁磁性，并首次从与氧空位相关的类氢杂质态的角度，解释了样品铁磁行为的物理机制。
4）利用一些碲化物的平均化合价，并参照一个关于氧化物的O2p巡游电子模型，提出了碲化物的磁有序机制。对于报道的Cr3Te4，Cr5Te8和FeCr2Te4单晶材料的磁性测量结果，考虑到沿易轴外加磁场下的磁畴壁移动，解释了为什么这些材料沿易轴和难轴有不同的磁场和温度依赖关系，以及它们为何有不同的饱和磁化值。
5）本文首次提出了金属的晶体结构与阳极氧化物薄膜形貌（有序、无序多孔或管状）之间的关系，讨论了不同金属的晶体结构对多孔薄膜最佳形貌的影响。这些结果为通过阳极氧化制备有序多孔金属氧化物薄膜提供了新的视角和理论框架。上述研究结果发表在Nature Nanotechnology、Physics Review Letters、Physical Review B等国内外重要学术期刊上，共发表SCI收录论文58余篇，其中SCI二区以上学术论文24篇。
研究方向三：低维材料中新奇物理现象研究
主要研究新材料的奇异物理性质，研究奇异物理现象的物理机制，探寻新材料的量子调控方法，研究新材料器件的各种功能性质，为新材料探索和性能预测提供理论指导。近年来主要在以下几个方面开展研究：
1.低维有机功能材料研究：采用半经典近似理论，研究有机半导体材料、纳米器件中的光电过程和磁性理论，将固体理论与有机化学、高分子材料、飞秒光电子学相结合，发展和建立有机物质的电子态理论、新型元激发、电子关联、载流子输运、有机发光等理论，为有机光电子学和纳米技术的应用提供理论依据；
2.低维体系新奇量子现象研究：利用格林函数理论，研究石墨烯及拓扑材料的物理性质，研究掺杂对材料物性的调控，研究拓扑物质态所蕴含的新奇量子现象及探测途径，为各种异质结器件的输运性质的实验研究提供理论指导；
3.低维磁性体系磁矩动力学研究：系统研究低维磁性体系中外磁场、自旋转移矩、自旋轨道矩和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用联合下，各种磁性拓扑孤立子的静力学和动力学演化行为。所得结果将为未来新型高速、低能耗磁性纳米器件的研发提供理论基础。
发展目标：
研究新型材料及量子器件的电、热、磁等物理特性，研究物态体系中的奇异物理现象，探究特性和现象的物理起源，用简单物理模型构建清晰物理图像。其具体目标为：研究拓扑绝缘体、石墨烯、有机大分子、磁畴壁的电、热、磁性质，解释凝聚态领域的重要实验进展，理论上提出新型功能器件并预测其物理特性，建设国内有较大影响力的科研团队。
近三年的主要研究进展：
1) 理论证明，通过在铁基(s±波) 拓扑超导体中引入d波交错磁性，可以实现三维三阶拓扑超导相，即零维Majorana角态；
2) 理论上研究了具有S波超导体近邻效应的有限尺寸（如三角形和菱形）Kane-Mele型拓扑绝缘体纳米片的电子特性。研究发现，只在系统边界上施加磁性，就能产生具有马约拉纳角态的二阶拓扑超导体；
3) 基于Landauer-Büttiker公式结合非平衡格林方法研究了超导体-Weyl半金属-超导体约瑟夫森结混合系统的超导电流。根据边缘态的不同，将费米弧划分为三个区域：对称区、拓扑区和绝缘区，这些区域由费米弧对称轴与约瑟夫森结法线之间的方位角θ和横向动量kz共同定义。
4) 基于第一性原理计算，设计并系统研究了新型二维Janus材料Fe2BN单层的物性，并在Fe2BN单层中成功集成了交变磁性、铁电性及应变可调的拓扑输运特性、实现了强磁电耦合、利用单轴应变作为有效开关调控能谷极化、诱导反常霍尔效应并增强自旋霍尔效应，为多功能器件的电场与应变双场调控提供了原理验证；
5）通过应用一个飞秒脉冲电场到聚合物分子内，我们实现了弛豫激子态到不同热激子态的再激发，其中跃迁模式和几率主要由脉冲能量决定。明确地呈现了从局域激子到离域激子转变的动力学过程。以上相关研究结果发表在Physical Review B、Applied Physics Letters等国内外重要学术期刊上，共发表SCI收录论文47余篇，其中SCI二区以上学术论文35篇。
