新一代极深紫外光源与纳米器件制造
微纳电子芯片与高密度存储的发展一直伴随着光源的进步。作为半导体集成电路产业的核心紫外光刻技术，一直以来都面临着紫外光较长的波长（193nm）与超小型器件沟道（~10nm）的矛盾。通过油介质、衍射等改进手段，人们不断推进光刻的最小尺度。开发新一代的，利用更短波长的光刻技术是国内发展微电子及大数据存储的迫切需要。大型的高亮度的极深紫外光源，可以用于开发先进的紫外光刻光源。另外短波长的光源对应着更高的单个光子能量。高能光子对于科研领域有重要的意义，在物理、材料、生物等领域有广泛的需求。
自旋存储芯片MRAM及SpinFET
磁随机存储器MRAM具有存储数据非易失性、寿命长、低功耗、抗辐射等诸多优点，在工业自动化、嵌入式计算、网络和数据存储、汽车和航空航天等重要的民生、国防领域具有巨大的应用价值，原则上可以取代各类存储器的应用，成为未来的通用存储器。2010年美国国家纳米技术计划发布了《2020及未来纳米电子器件发展》报告，确定了五大重点研究领域，并把“探索用于感应的新技术，包括电子自旋器件、磁器件等”作为其第一重大领域；同年美国国家自然科学基金会提出“自旋电子科学的发展及应用将预示着第四次工业革命的到来”。自旋电子学的发展与应用，强烈预示着未来以调控自旋为基础的新时代将取代调控电荷的时代，未来将引发数据存储与处理技术的革命。 自旋芯片已经历了三个发展阶段；2006年前利用隧穿磁电阻效应(TMR)，采用电流重合法，用电流产生的磁场调控自旋，制成低密度的第一代自旋芯片MRAM; 2006年后利用自旋极化电流调控自旋，功耗下降，存储密度提高，成为第二代自旋芯片 STT-MRAM；2014年开始研发电场调控自旋，功耗将进一步下降的第三代自旋芯片MeRAM,可望在近年取得突破，从而进入到商业化的阶段；2015年开始的以新材料的自旋轨道力矩为核心的SOT-MRAM开始出现，自旋芯片将有可能真正与半导体芯片进行市场化的竞争。
薄膜材料生长及性能
· 磁性薄膜（半金属材料） 半金属材料（又译单自旋金属），费米能级只和某一自旋方向的电子态密度有交叉，而处在另一自旋方向的能隙中，使得半金属的费米面电子展现出100%的自旋极化、磁矩量子化与零磁化率等特殊物理性质。半金属材料作为理想的自旋注入材料，是自旋电子学的一个重要基石。然而在实验中，人们从来没有实现100%的电子自旋极化。主要原因是因为Huesler 合金通常含有三种元素(X2YZ)。这种复杂的成分，很难避免结构和化学上面的反位缺陷和空缺。 本课题组着主要是利用分子束外延技术和脉冲激光沉积技术，来研究半金属材料的生长。通过系统的研究材料的结构和磁学特性，以期实现最高的自旋极化。
· 拓扑绝缘体 拓扑绝缘体是一种新型的量子物质态。其表面态具有时间反演对称性的保护和自旋动量锁定，展现出来了很多非常新奇的物理现象，包括无损耗的电子输运，量子自旋霍尔效应和反常量子霍尔效应。目前研究拓扑绝缘体的表面态，通常是通过掺杂过渡金属，来实现磁性拓扑绝缘体，进而破坏表面态的时间反演对称性。但是由于过渡金属在拓扑绝缘体材料中的有限的溶解度，掺杂浓度很低，导致居里温度很低。各种新奇的物理现象，包括反常量子霍尔效应等等都只能在极低的温度下才能观察到。 本课题组着主要是利用分子束外延技术，来生长超高质量的拓扑绝缘体和磁性绝缘体材料的异质结构/超晶格结构。通过磁性材料的邻近效应，来形成较高居里温度的磁性拓扑绝缘体。同时通过超晶格结构，我们可以实现单个量子阱到多个量子阱的质变，放大各种界面效应(邻近效应)，进而更加容易观察到新型的物理效应。
· 稀磁半导体 稀磁半导体是通过在传统半导体材料中掺杂磁性的过渡金属元素，从而实现磁性材料和半导体的融合。国际上大部分的研究工作主要集中在III-V族化合物（GaAs），和主流的硅基半导体工业并不匹配。而且，由于过渡金属Mn在半导体中间的溶解度很低，掺杂浓度上不去，居里温度一直停滞在很低的温度，未能达到普及应用所需要的接近室温。 本课题组着主要是利用分子束外延和脉冲激光沉积技术，来生长基于II-VI族，III-V族化合物和IV主族的Si/Ge的稀磁半导体薄膜材料。同时利用化学气相沉积的方法，生长稀磁半导体纳米材料。主要研究稀磁半导体材料在纳米尺度上面的物理性质，希望通过量子局限效应，提高其居里温度。
超快测量与超快材料科学
· 自旋的超快反转 磁存储器件的性能依赖于能以多快的速度调制磁介质的磁反转。在硬盘的磁盘片上，信息被存储在极微小的磁单元上，磁化强度的不同取向表征二进制的“0”和“1”，磁单元的最快反转速度决定了信息写入的速度。目前的磁存储的写入速度由磁化强度进动反转过程决定，一般在几十皮秒至100皮秒量级。 超快脉冲激光 （~100 飞秒/ <100 飞秒）在时间分辨磁动力研究上的应用，能够将时域的时间分辨率扩张到亚皮秒量级，直至飞秒量级。当一束强烈的飞秒激光脉冲照射在磁性材料上时，材料中的电子迅速吸收激光能量，而使电子系统处于非平衡状态；电子系统的热量会传递给晶格和自旋系统，从而导致自旋的无序和磁化强度的降低，这就是超快退磁化效应。超快退磁化效应/超快磁反转过程发生在激光脉冲激发后的几百飞秒之内，这远快于传统的磁化强度进度反转过程。对磁性材料超快退磁化效应/磁反转过程的研究，为实现飞秒量级的磁存取速度提供了可能，在实际的技术应用和基础物理研究方面都有着重要的意义。
· 石墨烯超快激光 超短脉冲激光器在光谱学、非线性光学、激光医疗以及工业微细加工领域有着重要的应用前景。被动锁模技术是一种理想的激光超短脉冲生成技术，其核心工作原理依赖于能在激光工作波长提供可饱和吸收效应的非线性材料。2003年以来，碳纳米管和石墨烯相继被发现具有优异的可饱和吸收性质，包括高调制深度、超广的吸收带宽以及超快的恢复时间。碳纳米材料已经应用于固体、光纤、半导体等各类激光器中实现超短脉冲。如何能够进一步优化新型碳基可饱和吸收体材料并实现传统可饱和吸收材料无法实现的新型脉冲激光器是目前国际光学领域的一个研究热点。
· 超快自旋分辨光电子能谱 角分辨光电子能谱(ARPES)能直接测量凝聚态物质体系（如超导体、拓扑绝缘体）的电子能带结构，已经被证明在新材料、新奇物理现象及物理机制研究方面的强大功能。 角分辨光电子能谱通过对光发射电子的动能和角度的同时测量，从而获得k-空间中占据态电子的能量分布，也就是得到了电子能量的色散关系。对于非占据态的电子，可以将占据态的电子激发到非占据态，通过APRES测量非占据态的光发电子的能量和角度分布，从而得到非占据态的电子能带结构信息。 非占据态的非平衡电子向占据态跃迁的动力学过程的时间尺度发生在飞秒至皮秒量级，传统的ARPES使用的连续波光源或者长时间脉冲光源（超过100 ps），不能描述这样的动力学过程。我们通过近红外飞秒激光(泵浦光)将占据态的电子激发到非占据态，同时使用同步的另一束飞秒激光激发惰性气体产生极深紫外光（10-100 eV），并使用该极深紫外光作为ARPES的激发光源 (探测光)，测量占据态和非占据态的电子能带结构；通过机械延迟线改变泵浦光和探测光的光程差，也就是改变他们之间的时间延迟，得到不同时间延迟的占据态和非占据态的电子能带结构，从而得到电子能带结构的动力学过程信息。这种超快时间ARPES (TR-ARPES) 实验有助于解决凝聚态物理中一些关键问题，如石墨烯、拓扑绝缘体狄拉克电子体系非平衡电子的直接观测和其弛豫过程的探测研究，超导体中电子准粒子向库伯对的超快转变。
纳米制造与纳米器件
· 纳米制造 纳米制造是连接纳米科学发现和实际纳米技术支撑的产品的必由之路。 先进的纳米科技要从实验室最终转换到大规模生产需要对产品设计、可靠性、质量、流程设计等制造系统问题进行细致的研究。 纳米制造是在纳米尺度对物质在一、二、三维等进行控制实现可重复的、商业化的生产，它包含自下而上的直接合成和自上而下的高精度处理，分子系统工程，与大尺度系统的分层次整合。
· 自旋电子器件 自旋电子器件是用电子的自旋这一属性来传递信息的电子学器件。 随着19世纪80年代GMR的发现，自旋电子学的研究开始兴起并产生了以自旋阀为形式的自旋电子器件。今天自旋电子器件几乎无处不在，因为大部分硬盘存储器中都使用的自旋阀的磁头。自旋电子学的研究将创造更加灵活的器件如自旋晶体管和自旋逻辑门。
· 光电子器件 光电子器件是微电子技术基础上发展起来的一种实现光与电相互转换的器件。常见的光电子器件有LED、半导体激光器、光电探测器、太阳能电池等。目前光电子器件的组合运用如光通信、光信息处理正在飞速发展，实现传统电子学难以实现的功能
新一代高速5G超快电子材料
随着电子信息技术发展的不断进步，电子设备高频化是发展趋势，尤其随着无线网络、卫星通讯的日益发展，信息产品在不断走向高速与高频化。发展新一代产品都需要高频基板，尤其卫星系统、移动电话接收基站等通信产品必须应用高频电路板，随着这些应用在未来几年内迅速发展，会对高频电路基板有大量需求。因此不管是设计师还是PCB制造者，都在面临选择一种适当的材料，满足高频信号特性，并且满足制造加工容易，成本较低等要求。一般情况下，像射频(RF)和微波(MW) 这类工作频率在1GHz以上的电路可以定义为高频电路。从2G时代开始，直至我们目前所熟知的4G基站，包括TD天线和FDD天线，都在大量使用高频电路板，而航空航天等特殊领域则长期需要基于高频覆铜板的电子模块。这都对特种覆铜板产生规模巨大的需求。但是，目前在高频覆铜板这个细分领域，高频覆铜板作为中国电子产业链的关键一环，长期受制于海外企业，技术封锁和产品垄断的特点很明显，国外技术领先型企业牢牢占据了高端领域，市场集聚度相当高。由于高频覆铜板在国民经济中的重要性，在2015年度，高频覆铜板包括被列入工信部的工业强基的专项行动实施方案，该方案中专门有提到“关键基础材料工程化、产业化重点支持航空航天用高温合金和记忆合金、核用高纯硼酸、聚四氟乙烯纤维及滤料、高频覆铜板、片式电容器用介质材料等方向，提升材料保障能力。” 徐永兵教授团队长期致力于纳米电子材料的制备，及材料的结构与性能（包括超快高频性能）的表征。在材料改性方面有着丰富的经验。尤其在纳米材料制备和超快电子研究方面，在国际顶级期刊杂志上发表200多篇论文。这对研究5G时代急需的高频高速PCB覆铜板来说，有着巨大的基础优势。
