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段镶锋:不忘报国初心 助力纳米材料科研发展

2018-10-22 16:52 来 源:中华网 浏览 字体:

  材料技术的发展左右着人类的生活水平。如今,纳米材料科学的进步能使人类在绿色环保的同时更加绚丽多彩,让人类的衣食住行更加舒适便捷。世界各国都非常重视材料学的研究发展。国际涌现了大批伟大的材料科学家,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校终身教授、湖南大学特聘教授段镶锋就是其中佼佼者之一。

  提起段镶锋教授,业内向来喜欢将他和妻子黄昱称为纳米界的“神雕侠侣”。缘分自有天定,两人是科大师兄妹,后又一起到美国哈佛深造。早在攻读博士期间,他们就通力合作,双双在《Science》和《Nature》发表多篇与半导体纳米线器件有关的研究成果。

  不忘初心方得始终。纵观国际形式,我国的材料制造业与美国相比处于总体上的弱势地位。于是,段镶锋在2013年决定回国,为祖国的纳米材料科学发展尽一份力。秉承一颗赤子之心,段镶锋教授回国时,就在心里定下了一个目标:“希望能够把这里(湖南)的科研和青年人才培养带动起来。”

  在几年的努力下,段镶锋教授接连在湖南大学取得了突破。去年5月,段镶锋以通讯作者的身份在Science上公布了关于纳米材料和储能领域的重要研究进展。论文的共同第一作者梅琳,同样为湖南大学化学化工学院的1名博士后。湖南大学是论文第2单位。同年八月,他和湖南大学段曦东作为共同通讯作者在《Science》(《科学》)上公布了二维材料领域的一个重要突破,这是湖南大学历史上的第一篇具有第一单位和通讯作者单位身份的第一篇NS(国际顶级权威期刊《Nature》(《自然》),《Science》的简称)科学研究论文。在今年段镶锋教授又携手湖南大学接连在Nature上发了三篇论文,报道了在二维超晶格,逼近肖特基-莫特极限等重要工作。

  结海外累累硕果

  在国外,段镶锋教授已经取得了世人瞩目的科研成果。他先后获得美国哈佛大学化学硕士和物理化学博士学位;2001—2008年在美国Nanosys高科技公司工作,是该公司的联合创始人之一;2008年起到美国加利福尼亚大学洛杉矶分校任教直至成为终身教授。

  因为出色的科研表现,他先后获得“MRS全美杰出研究生奖”“全美发明家竞赛大奖”“世界百位杰出青年发明家”等众多奖励和荣誉。2001年,他与自己的妻子,现同为美国加州大学洛杉矶分校教授的黄昱合作完成的纳米电子领域成果被Science评为2001年世界十大科技进展,并名列榜首;2011年2月10日,汤森路透集团发布了2000—2010年全球顶尖一百化学家名人堂榜单,段镶锋排名全球第41位;而在全球顶尖一百材料学家名人堂榜单中,他排名全球第20位。2013年8月,因为在纳米科学领域,特别是石墨烯和光催化作用方面的杰出贡献,他获得贝尔比奖章,该奖章极少授予华人科学家,段镶锋也成为该奖83年历史上第3位华人得主。

  2001年,段镶锋和妻子黄昱合作完成的纳米电子领域相关成果被Science评价为“本年度重大突破”,为电子器件进一步精巧化迈出了一步。在过去的10年中,提高计算机的运行能力主要依赖于把越来越多的电路组装到芯片上,这意味着电子器件尺寸越来越小,其组装程序也越来越困难。在该项成果中,他们成功地利用液体流动的动力将无数的且小到只有十亿分之一米的分子线排列成约毫米级的长度,再通过改变液体流动方向,使其互相交错地排列形成电路和电子器件,这使纳米电路的低成本加工成为可能,在电子计算机和电子元件微型化方面显示出很大的潜力。

  从哈佛毕业以后,段镶锋就作为共同创始人之一加盟美国Nanosys高科技公司,成为硅谷中探索前沿产业的创业者一员,致力于开发出与纳米线、量子点等纳米材料相关的各类产品。

  作为技术创始人之一,段镶锋在Nanosys工作期间探索和创造了很多纳米材料的应用概念,有的概念虽然创新性很好,在商业化过程中却遇到极大挑战,有些最初未必最看好的概念相关产品却已成功推向市场。现下新兴的量子点电视的核心技术基本上就起源于这家公司。

  时至今日,通过10余年的锤炼和反复总结,段镶锋算是打通了从材料到性能再到功能产品链条上的各个环节,形成了自己的优势。

  树湖大发展新风

  2013年,段镶锋成为湖南大学特聘教授。2013年年底,他依托湖南大学化学化工学院、“化学生物传感与计量学国家重点实验室”和湖南大学物理与微电子科学学院“微纳光电器件及应用教育部重点实验室”组建起“微纳系统与器件”课题组,旨在纳米材料的合成、组装和表征;先进电子和光子材料与器件;能源利用、转化与存储;生物医学传感与治疗等方向进行一系列具有重大原创性的理论、实验或工程技术研究,使研究成果具有国际先进水平。

  借助于段镶锋教授多年在基础研究和应用研究各个环节都有积累的优势,他所带领团队立足前沿和实际功能应用所需进行深度探索,一方面有效地把材料的特性体现在功能上,另一方面还能根据功能需求去设计材料,然后采用自己发展的方法去把材料做出来。发挥特色优势,这几年,团队成果显著。

  二维材料如石墨烯、单层和少层硫化钼(MoS2)、硫化钨(WS2)等是近年来新开发出来的材料,具有优异电学、光学和力学等性能,在新一代电子和光电子器件方面(如低能耗、低成本柔性显示器件、新型光电子和量子器件和传感器件等)有着重要的应用潜力。要挖掘它们更多的应用潜力则需要发展能精确控制其化学成分和电子结构的可靠的合成方法。

  在湖南大学“985”高层次引进人才建设经费和化学化工学院的大力支持下,段镶锋及其研究团队通过改进传统的化学气相沉积(CVD)装置,发展了原位改变气相反应物技术,这是获得横向异质结的关键。这种原位改变气相反应物的技术对制备横向异质结具有通用性,如研究团队利用该技术成功制备出了WS2/WSe2、MoS2/MoSe2等单原子层横向异质结。在此基础上,研究团队利用这些横向异质结制备了一系列的功能器件,包括P-N结二极管、光检测器和反相器等。在相关领域,国际上还有两个研究团队几乎同时开展了类似的研究。在这场激烈的科研竞争中,湖南大学科研团队的数据最充分,而且详细示范了其电子和光电子器件应用。论文2014年在网上在线登出后,成为《Nature Nanotechnology》(《自然·纳米技术》)杂志的点击量最高的文章之一。《Nature Material》 (《自然·材料》)和nanotechweb.org网站等多家专业期刊和媒体也进行了专门报道。2017年,他和湖南大学段曦东作为共同通讯作者在《Science》上发表的工作则把这个方向推向了一个全新的高度。他们创造性地在生长条件稳定化的过程中引入冷的逆向气流,成功解决了多步生长过程中二维超薄材料的热稳定和可控成核问题。由于每一步的生长都具有高度的可控性,所以这种方法可以制备多种多样的单原子层异质结、多异质结和超晶格。他们利用该方法制备界面原子级平整的单层异质结(如WS2-WSe2、WS2-MoSe2)、多异质结(如WS2-WSe2-MoS2、WS2-MoSe2-WSe2)和超晶格(如WS2-WSe2-WS2-WSe2-WS2),并证实WS2-WSe2异质结具有良好的p-n结整流特性。

  这种外延生长法可以巧妙地制备出多种多样的二维材料异质结构,为进一步研究二维材料的特异性能,实现其应用潜力提供了一个可靠的合成手段,为二维材料领域的进一步基础研究及功能应用提供了一个坚实的材料平台。论文发表后引起了国内外同行的广泛关注,为包括《Nature》,《Science》等科学期刊的研究论文广泛引用。

  日常生活中许多产品离不开电池,但电池的充电速度和使用时间往往不甚理想。在储能(主要指锂电和超容)领域,充放电电流密度和电源的比能量密度一直是一对不可调和的矛盾,此消彼长,相生相杀。高功率密度和高能量密度的可充放二次电池电极材料一直是科学界致力研究的关键难点。

  为解决这个问题,段镶锋带领美国加州大学洛杉矶分校化学系博士后孙洪涛和湖南大学博士后梅琳等人共同在Science上发表《三维多孔石墨烯/Nb2O5复合结构电极材料的高倍率储能应用》论文。论文报道他们以三维多孔石墨烯/Nb2O5作为负极材料,实验发现三维多孔石墨烯可以作为框架结构实现纳米电极材料的高负载量装载,同时其优良的导电性能和多级孔结构可以实现快速充放电过程中电子和离子的快速传递,功率密度接近超级电容器,而该电极材料在特定条件下能量密度能够接近普通二次电池的能量密度;同时电池在大倍率电流循环10000次后,容量衰减仅为10%,远高于普通锂电池的循环寿命和倍率性能。除了寿命长、循环稳定、快速充放电等优势,所制备的电极材料负载量实现了与工业水平相持平。成果为未来研制充电速度快且续航能力强的电池迈出重要一步。

  段镶锋认为,纳米材料科研大有作为。将纳米材料在燃料电池转化与存储上的成果应用于新能源电动汽车;将信息产业几十年发展的技术应用到生物检测、疾病诊断等领域,服务于健康产业,譬如研究一种可穿戴的电子材料薄膜产品,它可以显示脉搏的波形、血糖的数值等,从而帮助疾病患者实时监控健康状况。展望未来,段镶锋教授希望纳米技术能在实际应用中能造福更多的人,给我国社会、经济的发展增添强劲的动力。(王霞)


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