I-Wei Chen

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I-Wei Chen

Skirkanich Chair in Materials Innovation

Ph.D. Metallurgy, Massachusetts Institute of Technology - 1980 M.S. Physics, University of Pennsylvania, Philadelphia B.S. Physics, National Tsinghua University, Taiwan Primary Department

Materials Science and Engineering

Research Interests

Novel ferromagnetic/ferroelectric ceramics and thin film heterostructures. Ultratough heat-resistant silicon nitride structural ceramics. Bio-functionalized inorganic/organic nanoparticle colloids and composites. Awards (since 1996) Humboldt Prize (1997)

Edward C. Henry Award, Electronic Division, American Ceramic Society (1999)

美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程系 Skirkanich讲座教授 陈一苇（ I-Wei Chen）于2006年4月1日起被聘为清华大学材料系“长江学者”讲座教授。陈一苇教授在陶瓷科学与工程以及纳米生物医学相关的先进功能材料领域中取得了卓越的研究成果，发表150多篇科技论文（专利4项），其中2篇刊登于英国Nature杂志，80多篇刊登于《美国陶瓷学会会刊》。被SCI列为世界材料领域引用率最高的材料学家之一。 由于对陶瓷基础科学的杰出贡献，美国陶瓷学会颁予他该领域最高奖项Sosman Award（2006）。

陈一苇教授的主要学术贡献

陈一苇教授创造性的研究成就已经对陶瓷科学与技术的发展产生了广泛而深远的影响。最近连续十五年当选全世界引用率最高的陶瓷学家之一，目前名列ISI最高引用率的材料科学家目录。为了表彰对陶瓷基础科学的杰出贡献，美国陶瓷学会赋予该领域的2006年度最高奖项Sosman

Award。在攻读博士学位师从Ali Argon教授期间就名声鹊起，发表的有关蠕变中晶界成孔的理论及实验工作系列早被收入标准教科书并成为必备引用文献。早年从氧化锆单晶的原位TEM研究为陶瓷马氏体相变建立了成核与生长机理的理论，并从氧化锆的高压形变研究为陶瓷转换塑性提供了本构方程式。之后发明了多种具有超塑性的超细晶粒陶瓷，如氧化锆、氧化铝、富铝红柱石、氮化硅及其复合物。此外对陶瓷的烧结、晶粒生长、断裂、缺陷和铁电性等方面也作出有重大影响力的贡献。最近五年以来，凭借对材料制备、材料设计和材料物理的深厚功底和专业特长，利用与宾大其它单位的科研合作和美国国家实验室的大型先进设备（如同步辐射和中子散裂源），他的科学研究已经进一步扩展到其它新的领域。

陈教授开创了一种有桲于传统理论的烧结理论，并由此发展出令人震惊的、全新的、节能的陶瓷烧结方法。传统沿袭五十多年的烧结方法是通过加速高温来抑止致密化过程中的晶粒生长；而他

创造性地提出通过降低温度以冻结晶界蠕动来消除晶粒成长从而完成陶瓷致密化的新方法。该成果发表于2000年的国际顶级杂志英国的《自然》。凭借此工艺，大尺度的纳米晶粒陶瓷可在无形状限制下获得。该法已经被世界上其它研究单位采纳并应用于制备致密的纳米陶瓷，包括BaTiO3、Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4, ZnO和Ni-Cu-Zn铁氧体等体系。随着全球电子元器件不断微型化，对器件微结构均一性的要求越来越高，而唯有晶粒纳米化的电子陶瓷才可解决此问题。他发明的无压烧结方法是目前实现纳米陶瓷唯一切实可行的方案，此法为未来新型电子陶瓷制备提供了理论和实践指导。

陈教授打破传统理论的另一个范例发表于1997年的英国《自然》杂志，其中开创性地指出-SiAlON陶瓷可以通过自加固的微结构来实现更高的韧度。此重要发现归功于创新地使用了-Si3N4粉末，这改变了-Si3N4粉末已被陶瓷界沿用30多年的状况。该工作已使陶瓷界广泛认识到此类SiAlON具有比型更优异的性能。为了发展高强度、耐高温（包括摄氏1300度以上的软化温度和优异的抗氧化性）和可机械加工的-SiAlON陶瓷，在粉末制备、播种和阴阳离子掺杂等多项技术有机结合的基础上，他实现了对微结构和性能的精确调控。他的研究成果推动了工业界有关-SiAlON基的新型陶瓷刀具及轴承等的广泛研究并应用。另外，他还共同发明了超硬度尖晶石型立方SiAlON陶瓷（Angew Chem 2002）。

近年来巨磁阻效应是物理学界的一个热点，大多研究集中于锰酸盐和钴酸盐体系。陈教授意识到巨磁阻效应并不必局限于这两类材料，第一个发现可以巧妙地从互掺的4d和3d过渡金属钙钛矿材料体系中产生（APL2003）。传统理论认为，游离的4d电子缺乏局域化的自旋，即使Stoner 非稳定态能导致材料具有很强的磁性，也无法产生巨磁阻效应。他发现只要掺入能量匹配且Anderson局域化的3d电子态，就能造成附近的4d游离电子因共振散射而产生巨大的磁动量。而游离的4d电子一旦为Anderson局域态所捕获，就会对磁场非常敏感，从而致使载流子（4d电子）输运特性随磁场变化而变化，即产生了磁阻效应。此类磁阻效应最先在SrRuO3和CaRuO3的掺杂体系中发现。目前他正在发展一种全新的薄膜生长技术方法以实现阳离子的有序化，进而在高温下获得巨磁阻效应。并利用具有磁性能和自旋分布的定向生长薄膜，进一步开发新型电子器件及自旋器件。在和电子工业的横向研究项目中，他最近证明了过渡金属氧化物和界面的电荷转移能通过电脉冲驱动而导致电阻转换，该发现为造就新型非挥发性存储器件设计提供了一种新的理论概念。这类器件基于一种很简单的两节点构型，因此易读易存。相较于相变型（Ovshinsky）的电子器件，它因不要加热而能耗较低。相较于高分子基的电子器件，它更耐用且和IC制备更兼容。宾大和其工业界合作者正积极开发此类器件，期望能逐步替代诸如手机等移动器件中的记忆芯片。

通过合作研究应用，陈教授以纳米胶体技术开发了多个医用成像、探测及反应等智能纳米器件，用于定位和追踪疾病、修饰生物植入体表面、模拟细胞反应和输运基因等。其中一项技术，利用磁性氧化物纳米粒子，实现了增强敏感性的磁共振（MRI）体内成像（Acad. Radiology 2004）。该类纳米粒子包裹在可逃避排异性的隐秘膜内，同时又可以自行搜寻病变位置。此法目前也被发展来追踪细胞迁移及免疫反应。另外一项技术，利用纳米粒子来修饰生物植入体表面、输运药物和基因、及建造模拟生物矿化组织的多层纳米结构。这些高端技术的研究与开发是由费城和新泽西地区的州政府和生物药物工业联合会共同资助；该项目期望能结合材料科学和生物医学的最新成就，为现代人体医疗健康建立和开发出新型而易用的精确技术和工具。

Selected Publications

I-Wei Chen and A. Rosenflanz,\Microstructure\Nature, 389, 701-04 (1997).

X-F. Du and I-Wei Chen, \Films\Appl. Phys. Lett.. 72 [15] 1923-25 (1998).

I-Wei Chen and Ying Wang, \Ferroelectrics, 206/1-4 & 207/1-2, 245-263 (1998)

L-L. Wang, T-Y- Tien, and I-Wei Chen, \J. Amer. Ceram. Soc. 81 [10] 2677-86 (1998).

I-Wei Chen, \J. Phys. Chem. Solids, 61 [2] 197-208 (1999).

I-Wei Chen and Y. Wang, \Appl. Phys. Lett. 75 [26] 4186-88 (1999).

M. Menon and I-Wei Chen, \J. Amer. Ceram. Soc. 82 [12] 3413-40(1999).

D-M. Liu and I-Wei Chen, \an Aqueous Colloidal Sol-gel Process,\Acta Metar. 47 [18] 4535-44 (1999).

I-Wei. Chen and X.-H. Wang, \Growth,\Nature, 409, 168-71 (2000).

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