量子功能材料与器件

面向量子信息技术与后5G/6G无线通信的发展，核心挑战正在从“单一器件性能”转向“系统级互连与接口能力”：一方面，高频/高带宽与低功耗需求推动射频前端器件及新型低能耗存储/传导器件持续升级；另一方面，量子计算与量子网络的可扩展性受限于相干寿命、集成密度与跨平台互联，迫切需要在固态体系中打通电、磁、声、光等不同自由度之间的高效、低噪声耦合与转换。

基于此，我们课题组以“量子功能材料与器件”为总体定位，围绕固态器件中的“电–磁–声–光跨域传导与转换：涵盖经典与量子态”开展材料、器件与系统协同研究，服务信息的存储、计算与互连。相关成果已作为第一作者/通讯作者发表于Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Communications等高水平期刊。当前主要研究方向包括：

          （1）压电材料与量子声学（高性能压电材料与声学器件、以及混合量子系统）；

         （2）自旋与轨道角动量电子学（硅基兼容的新型信息载体与器件范式）；

         （3）拓扑超导与拓扑量子器件（面向非常规/拓扑配对与新型量子器件验证）；

         （4）光–电转换效应与器件（光电/电光响应与器件接口，也作为量子物性表征工具）。

         在材料体系上，我们聚焦于可集成、可工程化的功能薄膜与异质结构，包括压电/铁电薄膜与其器件平台（用于声学谐振与机电耦合）、硅基兼容的低维/界面体系（用于自旋与轨道角动量相关输运与操控）、以及具备非常规超导与拓扑效应潜力的界面材料体系（用于拓扑量子器件探索）。

 在实验设施方面，涵盖材料生长-器件制备-系统表征全链条能力，具体如下：

（1）材料生长与加工：具备从块体/薄膜到异质结构的材料制备与前处理能力：配置单晶生长炉，薄膜制备平台包括脉冲激光沉积（PLD，三腔体）、磁控溅射与电子束蒸发，可覆盖氧化物、氮化物及金属等功能材料体系；同时配备固体材料切割—研磨—抛光等加工设备，支持衬底与样品的精密前处理与形貌控制。

（2）器件制备与集成：具备常规微纳器件制备的关键环节与流程化能力，配备光刻机、等离子体清洗机、湿法处理台等；同时依托公共平台，可进一步开展电子束曝光、刻蚀、快速退火等工艺，实现更小尺度结构与复杂器件流程的加工需求。

（3）测试表征与系统评估：建立了覆盖“微观机理—器件性能—系统级指标”的多层次表征能力：

1）多功能原子力显微镜：支持 AFM/MFM/SK-PFM/CFM/PFM 等模式，用于形貌、磁性、电势/功函数、局域导电与压电响应的多物理成像与定量分析。

2）共聚焦二维扫描光电表征系统：集成光电/光伏、MOKE、拉曼、PL 等测量能力，温区 10–475 K，横向扫描分辨率约 400 nm。

3）高精度压电表征系统：覆盖正/逆压电效应测量，压电电荷分辨率达 1 fC/N、位移分辨率达 1 pm，用于压电薄膜/器件的参数提取与低损耗优化。

4）电学与射频表征系统：具备半导体参数分析能力与射频性能表征能力（最高 26.5 GHz），支撑器件 I–V、C-V、噪声/稳定性及高频响应评估。

5）低温强磁场平台：3 套低温强磁场表征系统（最低 2 K、磁场 ≥9 T），可开展低温磁场输运研究、以及自旋和轨道角动量动力学研究；同时正建设极低温量子物性表征系统（目标 10 mK、9 T、DC–40 GHz，coming soon），面向量子器件与混合量子系统的低噪声、微波频段测量需求。

代表作：

1. Hang-Bo Zhang, Zhen-Yu Ding, Yi-Ning Xie, Zheng-Hao Li, Eoin Moynihan, Ana M. Sanchez, WenGuang Zhu, Yang Gao^*, Yoshihiro Iwasa, Marin Alexe, Ming-Min Yang^*, “Magnetization generation and giant nonlinear transport at symmetry-engineered interfaces” Nature Communications 17, 361 (2026).

2.Ming-Min Yang, Tian-Yuan Zhu, Arne Benjamin Renz, He-Meng Sun, Shi Liu, Peter Michael Gammon & Marin Alexe, “Auxetic piezoelectric effect in heterostructures”, Nature Materials 23, 95-100 (2024).

3. Yu Dong^#, Ming-Min Yang^#, Mao Yoshii, Satoshi Matsuoka, Sota Kitamura, Tatsuo Hasegawa, Naoki Ogawa, Takahiro Morimoto, Toshiya Ideue, Yoshihiro Iwasa, “Observation of giant bulk piezophotovoltaic effect in 3R-MoS₂” Nature Nanotechnology 18, 36-41(2023, ^#co-first author)

4. Ming-Min Yang, Zheng-Dong Luo, Zhou Mi, Jinjin Zhao, Sharel Pei E, Marin Alexe, “Piezoelectric and Pyroelectric Effects Induced by Interface Polar Symmetry” Nature 583, 377 (2020)

5.  Ming-Min Yang, Marin Alexe, “Solar Energy Harvested with Nanotubes”, Nature 570, 310 (2019).

6. Ming-Min Yang, Affan N. Iqbal, Jonathan J. P. Peter, Ana M. Sanchez, Marin Alexe, “Strain-Gradient Mediated Local Conduction in Strained Bismuth Ferrite Films”, Nature Communications 10, 2791 (2019).

7. Ming-Min Yang^#, Dong-Jik Kim^#, Marin Alexe, “Flexo-photovoltaic Effect”, Science 360, 904 (2018) (^#co-first author).

8. Ming-Min Yang, Marin Alexe, “Light-induced Reversible Control of Ferroelectric Polarization in BiFeO₃”, Advanced Materials 30, 1704908 (2018).

9. Ming-Min Yang, Marin Alexe, Chapter “Photoelectric Effects at Domain Walls” in “Domain Walls: from fundamental properties to nanotechnology concepts”, Oxford University Press, 2020 (ISBN-10: 0198862490)