中國粉體網(wǎng)訊 科學(xué)家應(yīng)該在石墨烯、黑磷等新材料領(lǐng)域不斷發(fā)力，把握先機(jī)，爭取實現(xiàn)對國際同行的趕超，成為該領(lǐng)域的“開拓者”和“引領(lǐng)者”。
眾所周知，新材料的使用，能夠給很多領(lǐng)域帶來革命性的變化。比如，當(dāng)前如火如荼的石墨烯，就被譽為“黑金”“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。
近年來，另外一種和石墨烯有著類似性質(zhì)的新材料——黑磷的重要性也日益凸顯，被科學(xué)家和企業(yè)界看好。所幸的是，在黑磷的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用方面，來自中國的科學(xué)家走在了世界前列。作為“青年千人”，深圳黑磷光電技術(shù)工程實驗室主任張晗教授在黑磷材料的研發(fā)方面，不斷取得重大突破。
從布魯塞爾到深圳
要談黑磷，不得不先談石墨烯。
張晗介紹，石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，2004年被證實可單獨存在。它是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，可用于制造超微型晶體管，生產(chǎn)未來的超級計算機(jī)，還適合作為透明電子產(chǎn)品的原料。
“事實上，我的科研生涯最早就是從石墨烯的研究開始，在這個領(lǐng)域也有七八年的技術(shù)積淀。”張晗告訴記者。
2002年，張晗考入武漢大學(xué)，攻讀材料物理學(xué)。在本科期間，他就對碳材料有了濃厚的興趣。2007年，他進(jìn)入新加坡南洋理工大學(xué)微電子專業(yè)就讀，在進(jìn)行激光學(xué)方向博士研究時，他產(chǎn)生了將石墨烯等新材料與光電工程相結(jié)合的想法。“很多科學(xué)成果，都是不同學(xué)科的交叉得來。”
此后，張晗又在比利時布魯塞爾自由大學(xué)做博士后。但他一直在石墨烯材料領(lǐng)域持續(xù)研究。八年來，他在光電子期刊上共發(fā)表論文100多篇，封面論文超過10篇。論文總被引用超過5000次，ESI高引用論文超過20篇。一篇論文入選中國百篇最具影響力論文。
科研的價值，最終還是需要和工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合才能體現(xiàn)，尤其是在新材料領(lǐng)域，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用顯得更為急迫。
2012年，通過中組部的“青年****”，張晗回到國內(nèi)，選擇在深圳大學(xué)任教，和昔日好友組建了“二維材料先進(jìn)光電器件研發(fā)團(tuán)隊”，致力于新材料研發(fā)。同年，他也成為國家自然科學(xué)基金委首屆“優(yōu)秀青年基金”的獲得者。
在不長的時間內(nèi)，張晗與合作者共同研發(fā)出了首臺石墨烯超快鎖模光纖激光器，制備出了首個基于石墨烯的寬帶偏振器；發(fā)現(xiàn)了石墨烯在太赫茲波段的非線性響應(yīng)；實現(xiàn)了基于拓?fù)浣^緣體材料的光纖及固體激光器的寬帶鎖模或調(diào)制，可謂成果顯著。
從石墨烯到黑磷
那么，既然已經(jīng)在石墨烯領(lǐng)域取得了不小的成績，后來怎么把注意力轉(zhuǎn)向了黑磷呢？
和石墨烯一樣，黑磷也是一種新型單元素二維原子晶體材料。黑磷是磷的同素異形體中最穩(wěn)定的一種，具有類似石墨的片狀結(jié)構(gòu)，單原子層厚度的黑磷又稱為黑磷烯。它是用白磷在很高壓強和較高溫度下轉(zhuǎn)化而形成的。
張晗介紹說，黑磷擁有可控調(diào)節(jié)的能隙，可將電子信號轉(zhuǎn)成光信號，而且其能隙是可通過在硅基板上堆疊的黑磷層數(shù)來做調(diào)節(jié)，使其能吸收可見光范圍以及通訊用紅外線范圍的波長，可用作新型光電材料的研發(fā)。
“石墨烯是一種無帶隙的半金屬半導(dǎo)體材料，擁有超高的電子遷移率以及寬帶光吸收特性。但無帶隙的能帶結(jié)構(gòu)限制了石墨烯在光電領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。而黑磷的最大特點是擁有隨著層數(shù)可變的直接帶隙，這恰好解決了困擾石墨烯的難題。”張晗說。
此外，黑磷的應(yīng)用不局限于光電領(lǐng)域，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有優(yōu)勢。經(jīng)過加工，可以用作腫瘤治療。
2014年，就在黑磷材料研究剛剛在國外興起時，張晗就敏銳地注意到這一領(lǐng)域，并迅速展開研究，取得了不少成果。
在短短的時間內(nèi)，張晗團(tuán)隊率先成功建立了針對“黑磷”的液相制備新方法，揭示了黑磷獨特的層數(shù)依賴?yán)匦院凸鈱W(xué)非線性，還利用黑磷成功實現(xiàn)了對光纖激光器的鎖模。
此外，張晗團(tuán)隊還在國際上首次成功制備出大面積穩(wěn)定的少層黑磷，并且將其應(yīng)用于先進(jìn)光電器件。該成果一經(jīng)公開，就引起國內(nèi)外材料學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。相關(guān)論文發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》，并被有關(guān)方面評選為“2015年激光年度十大進(jìn)展”。將二維黑磷納米材料應(yīng)用于診斷治療制劑載體的制備以及功能化修飾，研發(fā)了一種超薄黑磷納米片載體負(fù)載臨床化療藥物阿霉素，顯示出黑磷載藥納米薄片具備優(yōu)良的生物相容性，在免疫缺陷的裸鼠身上取得了強化的抑瘤效果，相關(guān)系列工作發(fā)表于《自然·通信》及《先進(jìn)材料》。可以說，黑磷被發(fā)現(xiàn)不過短短兩年多時間，但張晗團(tuán)隊儼然已經(jīng)成為這一領(lǐng)域研究的領(lǐng)頭羊。
科研既要“頂天”又要“立地”
進(jìn)入2016年，張晗在黑磷材料領(lǐng)域的成果依然不斷。
7月份，張晗團(tuán)隊和中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員喻學(xué)鋒團(tuán)隊合作，在黑磷量子點的制備及超快光子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域取得新進(jìn)展。他們采用溶劑熱方法成功制備了一種超小黑磷量子點，并首次揭示了黑磷量子點材料的非線性光學(xué)特性，將其成功應(yīng)用于超快激光技術(shù)。這項成果表明黑磷量子點由于其自身的量子限定效應(yīng)，在超快光子學(xué)的應(yīng)用具有巨大的潛力，有望發(fā)展成為一種新型的光學(xué)功能材料。
“應(yīng)該說，假以時日，黑磷材料在能源、催化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都能夠有廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮巨大的作用。”張晗對于黑磷材料的前景充滿信心。
他認(rèn)為，隨著國際范圍內(nèi)科技領(lǐng)域競爭的日趨激烈，中國的科學(xué)家必須發(fā)力基礎(chǔ)研究，掌握原創(chuàng)性的核心科技。目前，以國家自然科學(xué)基金委為代表的多個部門，正在為中國的原創(chuàng)研究提供源源不斷的支持。同時，科學(xué)家也應(yīng)該在石墨烯、黑磷等新材料領(lǐng)域不斷發(fā)力，把握先機(jī)，爭取實現(xiàn)對國際同行的趕超，成為該領(lǐng)域的“開拓者”和“引領(lǐng)者”。
“科學(xué)研究既要‘頂天’，又要能‘立地’。”張晗認(rèn)為，在當(dāng)前大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的大背景下，科學(xué)家也應(yīng)當(dāng)注重將實驗室的成果加速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，和企業(yè)進(jìn)行深度合作，實現(xiàn)其最大價值。
據(jù)悉，深圳市組建了全國乃至全世界首個黑磷工程實驗室，將著手開展大面積、高性能二維黑磷材料的可控制備，研制出先進(jìn)黑磷電子與光電子器件。“比如，像石墨烯、黑磷這樣的新型二維材料的研究，都還剛剛起步10年，尚未形成專利技術(shù)或商業(yè)市場性壁壘。這也是從事光電材料領(lǐng)域研發(fā)的學(xué)者的最大機(jī)遇。未來，我們要通過自己的努力，在基礎(chǔ)研究和技術(shù)專利、產(chǎn)業(yè)化方面加快取得突破，形成自己的技術(shù)壁壘，也推動國內(nèi)光電材料領(lǐng)域的發(fā)展。”張晗最后表示。
