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张晗:向黑磷进军
来源:     作者:      2016-10-08 13:17       

 

科学家应该在石墨烯、黑磷等新材料领域不断发力,把握先机,争取实现对国际同行的赶超,成为该领域的“开拓者”和“引领者”。

众所周知,新材料的使用,能够给很多领域带来革命性的变化。比如,当前如火如荼的石墨烯,就被誉为“黑金”“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。

近年来,另外一种和石墨烯有着类似性质的新材料——黑磷的重要性也日益凸显,被科学家和企业界看好。所幸的是,在黑磷的基础研究和应用方面,来自中国的科学家走在了世界前列。作为“青年千人”,深圳黑磷光电技术工程实验室主任张晗教授在黑磷材料的研发方面,不断取得重大突破。

从布鲁塞尔到深圳

要谈黑磷,不得不先谈石墨烯。

张晗介绍,石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体,2004年被证实可单独存在。它是目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,可用于制造超微型晶体管,生产未来的超级计算机,还适合作为透明电子产品的原料。

“事实上,我的科研生涯最早就是从石墨烯的研究开始,在这个领域也有七八年的技术积淀。”张晗告诉记者。

2002年,张晗考入武汉大学,攻读材料物理学。在本科期间,他就对碳材料有了浓厚的兴趣。2007年,他进入新加坡南洋理工大学微电子专业就读,在进行激光学方向博士研究时,他产生了将石墨烯等新材料与光电工程相结合的想法。“很多科学成果,都是不同学科的交叉得来。”

此后,张晗又在比利时布鲁塞尔自由大学做博士后。但他一直在石墨烯材料领域持续研究。八年来,他在光电子期刊上共发表论文100多篇,封面论文超过10篇。论文总被引用超过5000次,ESI高引用论文超过20篇。一篇论文入选中国百篇最具影响力论文。

科研的价值,最终还是需要和工业生产相结合才能体现,尤其是在新材料领域,石墨烯的产业化和应用显得更为急迫。

2012年,通过中组部的“青年千人计划”,张晗回到国内,选择在深圳大学任教,和昔日好友组建了“二维材料先进光电器件研发团队”,致力于新材料研发。同年,他也成为国家自然科学基金委首届“优秀青年基金”的获得者。

在不长的时间内,张晗与合作者共同研发出了首台石墨烯超快锁模光纤激光器,制备出了首个基于石墨烯的宽带偏振器;发现了石墨烯在太赫兹波段的非线性响应;实现了基于拓扑绝缘体材料的光纤及固体激光器的宽带锁模或调制,可谓成果显著。

从石墨烯到黑磷

那么,既然已经在石墨烯领域取得了不小的成绩,后来怎么把注意力转向了黑磷呢?

和石墨烯一样,黑磷也是一种新型单元素二维原子晶体材料。黑磷是磷的同素异形体中最稳定的一种,具有类似石墨的片状结构,单原子层厚度的黑磷又称为黑磷烯。它是用白磷在很高压强和较高温度下转化而形成的。

张晗介绍说,黑磷拥有可控调节的能隙,可将电子信号转成光信号,而且其能隙是可通过在硅基板上堆叠的黑磷层数来做调节,使其能吸收可见光范围以及通讯用红外线范围的波长,可用作新型光电材料的研发。

“石墨烯是一种无带隙的半金属半导体材料,拥有超高的电子迁移率以及宽带光吸收特性。但无带隙的能带结构限制了石墨烯在光电领域的应用和发展。而黑磷的最大特点是拥有随着层数可变的直接带隙,这恰好解决了困扰石墨烯的难题。”张晗说。

此外,黑磷的应用不局限于光电领域,其在生物医学领域也具有优势。经过加工,可以用作肿瘤治疗。

2014年,就在黑磷材料研究刚刚在国外兴起时,张晗就敏锐地注意到这一领域,并迅速展开研究,取得了不少成果。

在短短的时间内,张晗团队率先成功建立了针对“黑磷”的液相制备新方法,揭示了黑磷独特的层数依赖拉曼特性和光学非线性,还利用黑磷成功实现了对光纤激光器的锁模。

此外,张晗团队还在国际上首次成功制备出大面积稳定的少层黑磷,并且将其应用于先进光电器件。该成果一经公开,就引起国内外材料学领域的广泛关注。相关论文发表于《先进功能材料》,并被有关方面评选为“2015年激光年度十大进展”。将二维黑磷纳米材料应用于诊断治疗制剂载体的制备以及功能化修饰,研发了一种超薄黑磷纳米片载体负载临床化疗药物阿霉素,显示出黑磷载药纳米薄片具备优良的生物相容性,在免疫缺陷的裸鼠身上取得了强化的抑瘤效果,相关系列工作发表于《自然·通信》及《先进材料》。可以说,黑磷被发现不过短短两年多时间,但张晗团队俨然已经成为这一领域研究的领头羊。

科研既要“顶天”又要“立地”

进入2016年,张晗在黑磷材料领域的成果依然不断。

7月份,张晗团队和中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋团队合作,在黑磷量子点的制备及超快光子学应用领域取得新进展。他们采用溶剂热方法成功制备了一种超小黑磷量子点,并首次揭示了黑磷量子点材料的非线性光学特性,将其成功应用于超快激光技术。这项成果表明黑磷量子点由于其自身的量子限定效应,在超快光子学的应用具有巨大的潜力,有望发展成为一种新型的光学功能材料。

“应该说,假以时日,黑磷材料在能源、催化、生物医学等领域都能够有广泛的应用,并发挥巨大的作用。”张晗对于黑磷材料的前景充满信心。

他认为,随着国际范围内科技领域竞争的日趋激烈,中国的科学家必须发力基础研究,掌握原创性的核心科技。目前,以国家自然科学基金委为代表的多个部门,正在为中国的原创研究提供源源不断的支持。同时,科学家也应该在石墨烯、黑磷等新材料领域不断发力,把握先机,争取实现对国际同行的赶超,成为该领域的“开拓者”和“引领者”。

“科学研究既要‘顶天’,又要能‘立地’。”张晗认为,在当前大众创业、万众创新的大背景下,科学家也应当注重将实验室的成果加速转化为生产力,和企业进行深度合作,实现其最大价值。

据悉,深圳市组建了全国乃至全世界首个黑磷工程实验室,将着手开展大面积、高性能二维黑磷材料的可控制备,研制出先进黑磷电子与光电子器件。“比如,像石墨烯、黑磷这样的新型二维材料的研究,都还刚刚起步10年,尚未形成专利技术或商业市场性壁垒。这也是从事光电材料领域研发的学者的最大机遇。未来,我们要通过自己的努力,在基础研究和技术专利、产业化方面加快取得突破,形成自己的技术壁垒,也推动国内光电材料领域的发展。”张晗最后表示。