張加濤：讓納米半導(dǎo)體“1+1＞2”
發(fā)布日期：2018-01-15 供稿：黨委宣傳部 王朝陽 攝影：材料學(xué)院
編輯：王朝陽 審核：包麗穎 閱讀次數(shù)： 
2017年8月,，一篇題為《膠體納米晶的異價摻雜：陽離子交換提供摻雜發(fā)光和摻雜能級調(diào)控新途徑》（ “Heterovalent doping in Colloidal Semiconductor Nanocrystals: Cation Exchange-Enabled New Accesses to Tuning Dopant Luminescence and Electronic Impurities”）的論文，以封面文章的形式,，在知名物理化學(xué)學(xué)術(shù)期刊《美國物理化學(xué)快報（Journal of Physical Chemistry Letters）》發(fā)表,，并受邀以視頻形式在美國化學(xué)會網(wǎng)站進(jìn)行專題報道。
而這篇來自北京理工大學(xué)材料學(xué)院張加濤教授團(tuán)隊的封面文章,，其實是該雜志的求賢之作,，代表了國際業(yè)界對我校在納米級半導(dǎo)體研究領(lǐng)域成果的積極評價。2016年12月22日,，《美國物理化學(xué)快報（Journal of Physical Chemistry Letters）》向北理工張加濤團(tuán)隊發(fā)來一封邀請郵件,，邀請為其撰寫一篇展望論文（perspective），以介紹北理工在半導(dǎo)體（II-VI族,，III-V族）納米結(jié)構(gòu)中異價摻雜領(lǐng)域的研究成果,。
“perspective一般由編輯部邀請撰寫，而非自己投稿,，我們的團(tuán)隊之所以能夠為業(yè)界所了解,，受到該刊物的邀請，主要是因為我們一直在納米材料與能源化學(xué)領(lǐng)域?qū)Ｗ雽?dǎo)體納米晶的摻雜問題,，并進(jìn)行了原創(chuàng)性研究,。能夠受邀撰寫perspective，并在雜志的封面發(fā)表,，我想這是對北理工在該領(lǐng)域的研究成果及其在業(yè)內(nèi)的引領(lǐng)作用,，最好的肯定?！弊鳛楸本├砉ご髮W(xué)的首位徐特立特聘教授,，張加濤這樣談道。
用新原理,、新方法,，在納米間為半導(dǎo)體“擺弄”雜質(zhì)
半導(dǎo)體之所以能被廣泛應(yīng)用在光電領(lǐng)域中,，核心原理就是在其微觀的晶格結(jié)構(gòu)中植入了雜質(zhì)，以改變其電性,，實現(xiàn)對光,、電、磁等性質(zhì)的調(diào)控,，使其能夠應(yīng)用在高效率發(fā)光器件,、太陽能電池、自旋電子器件等新型光電,、新能源器件中,。納米技術(shù)的興起和蓬勃發(fā)展，給予了人們通過直接操縱原子和分子的排布,，從而創(chuàng)造具有全新功能性新物質(zhì)的可能,。因此，當(dāng)半導(dǎo)體材料遇到了納米技術(shù),，就形成了前景廣闊的半導(dǎo)體納米材料研究方向,，而其中的半導(dǎo)體納米晶材料，或者稱為半導(dǎo)體量子點材料,，是其中最具代表性的,。半導(dǎo)體納米材料以其優(yōu)良的光化學(xué)穩(wěn)定性和諸多未知的材料特性，引發(fā)國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注與興趣,，是當(dāng)今最為前沿的科學(xué)研究領(lǐng)域之一,。
“我們熟知的硅谷就是各國半導(dǎo)體工業(yè)聚集區(qū)的代名詞，硅就是一種半導(dǎo)體,，之所以能夠加工成為電子器材,，就是因為在純半導(dǎo)體硅里加入了雜質(zhì)，使其純度下降,，并產(chǎn)生發(fā)光,、發(fā)電等其他性質(zhì)?！睆埣訚ΨQ自己做的是“1+1＞2”的事,?！暗易龅牟皇侵T如硅這種傳統(tǒng)半導(dǎo)體,，而是更有難度的II-VI，III-V族半導(dǎo)體納米晶材料,?！?/p>
在半導(dǎo)體納米晶材料的研究中,，要實現(xiàn)其廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵也是要解決其在納米級的精準(zhǔn)摻雜問題,。但是這并不容易,，半導(dǎo)體納米晶材料摻雜之所以難度大,，是因為其自身量級小，自清潔和自排斥效應(yīng)使雜質(zhì)在其中很不穩(wěn)定,，因此如何使雜質(zhì)在半導(dǎo)體納米材料中穩(wěn)定地發(fā)揮作用,，就成為了該領(lǐng)域面臨的一道國際性難題。
張加濤教授及其研究團(tuán)隊通過近三年的研究,，利用納米化學(xué)方法,，通過選擇不同膦配體引發(fā)的被摻雜離子的非晶半導(dǎo)體納米顆粒與主體半導(dǎo)體陽離子之間的離子交換反應(yīng)，調(diào)控其反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)過程,，實現(xiàn)被摻雜離子在半導(dǎo)體納米晶（II-VI族等）中的深度位置的異價取代性摻雜,，實現(xiàn)了Ag+，Cu+離子等在II-VI族半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)（量子點,，納米片,，2D薄膜）中的深度取代性摻雜及可控的摻雜濃度。一方面,，實現(xiàn)了II-VI半導(dǎo)體量子點中穩(wěn)定、高效的摻雜發(fā)光（絕對量子產(chǎn)率可達(dá)50%以上,，穩(wěn)定1年以上）,，有效避免了“自清潔”引起的摻雜發(fā)光不穩(wěn)定性，另一方面,，利用Ag+,，Cu+的異價取代性摻雜，實現(xiàn)了p型,，n型II-VI族量子點的制備及摻雜能級調(diào)控,。此外還利用原位甲基丙烯酸甲酯配體交換，實現(xiàn)了這些摻雜納米晶在有機(jī)玻璃里的宏觀尺寸的均勻分散,，進(jìn)一步增大了斯托克斯位移（Stokes位移）,，達(dá)到0.85 eV以上，實現(xiàn)了優(yōu)良的熒光聚集性能,。
“我們的研究通俗點說,，就是讓雜質(zhì)可控地固定在納米晶內(nèi)部的精準(zhǔn)位置，這對納米半導(dǎo)體材料的意義就在于,，可以讓雜質(zhì)參與到半導(dǎo)體的能量傳導(dǎo)過程,，而不成為消耗能量的真正‘雜質(zhì)’，從而實現(xiàn)為半導(dǎo)體納米材料加入雜質(zhì)的1+1>2效果,?！睆埣訚淌谕ㄋ椎馗爬诉@一成果的最終成效。
北理工在納米晶材料方面的研究,，也得到了國際同行的肯定,，相關(guān)研究成果陸續(xù)發(fā)表在頂級SCI期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》《先進(jìn)材料》《NPG亞洲材料》（Nature子刊）以及美國《物理化學(xué)C》雜志上,，值得一提的是《Nature》雜志網(wǎng)站還以《量子點：取向連接成納米片》為題對團(tuán)隊的研究做了專題報道。另外,，團(tuán)隊在異價摻雜納米晶研究的基礎(chǔ)上,，又聚焦貴金屬形成金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)納米晶的研究，實現(xiàn)了這一復(fù)合結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步能帶工程調(diào)控,，即在納米尺寸上實現(xiàn)了金屬與摻雜半導(dǎo)體的結(jié)合,，并在新能源領(lǐng)域探索這種性能良好的半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，所形成的研究成果也相繼發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上,。
“半導(dǎo)體納米材料形成更多種類的異價摻雜后,，組裝成膜可以形成PN結(jié)器件，也就是由不同種基材組成的半導(dǎo)體基片,，進(jìn)而可以制作成場效應(yīng)晶體管,、發(fā)光二極管、太陽能電池等,，這是我在perspective里提到的展望,。”張加濤說,，“新原理,、新方法，之后才會產(chǎn)生新材料,。我們做的就是探索最前沿的原理和方法,，為日后學(xué)界和業(yè)界新材料的制造、應(yīng)用提供指導(dǎo)性意見,。說不定還能引發(fā)一場材料界的工業(yè)革命呢,！”說起自己的研究，張加濤非常自豪,，“做別人沒有的,，才是有趣的！”
敢攻關(guān),、敢堅持,，在納米材料上做出“世界一流”
張加濤對科研工作有著異乎尋常的執(zhí)著，他常對學(xué)生講：“世上無難事,，只要肯登攀,，攀登科學(xué)技術(shù)高峰，只要敢想敢做,、堅持去做,、努力去做，一定會有所收獲,?！痹趪馇髮W(xué)期間,，張加濤每天早晨9點進(jìn)入實驗室，晚上11點才離開,，這位被稱作“911”先生的張博士每天中午只在實驗室隔壁的小屋子里用半個小時吃飯,，之后便又一頭扎進(jìn)實驗室中。正是多年來在納米材料化學(xué)方面的鉆研不輟,，他帶著豐富的學(xué)術(shù)研究經(jīng)驗,、卓越的研究成果和執(zhí)著的科學(xué)精神，回國后受邀成為北京理工大學(xué)首位徐特立特聘教授,。
張加濤所在的研究團(tuán)隊目前有5名老師,，均具有海外留學(xué)背景，團(tuán)隊研究生保持在40人左右,，其中包括2名留學(xué)生,。近年來，張加濤以第一作者,、通訊作者在《自然》《科學(xué)》《德國應(yīng)用化學(xué)》《先進(jìn)材料》《納米快報》等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了40余篇論文,，ESI高被引3篇。2013年獲“國家優(yōu)青”資助以來,，發(fā)表通訊作者論文28篇,、他引2000余次、單篇他引最高710余次,、授權(quán)專利5件,、受邀英文專著4部/章,。團(tuán)隊培養(yǎng)博士生曾2次獲得北理工優(yōu)秀博士論文,。
除了做好一名青年學(xué)者，張加濤把成為一名好老師作為自己的目標(biāo),。張加濤非常關(guān)注學(xué)生們的興趣所在,，幫助學(xué)生選擇與前沿領(lǐng)域相關(guān)并符合個人興趣、特點的課題,。他十分鼓勵優(yōu)秀的本科生進(jìn)入實驗室,，提高動手能力和實驗水平。多閱讀國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)期刊的高水平文章,，在學(xué)習(xí)他人經(jīng)驗的同時逐漸培養(yǎng)自己的獨立思考能力,，也是他時常的建議。
張加濤鼓勵學(xué)生在科研方面培養(yǎng)創(chuàng)新精神,，不錯過靈感閃現(xiàn)的瞬間,。“劉健和趙倩都是我的碩士生,，他們都相繼獲得了北理工優(yōu)秀畢業(yè)論文,，在用離子交換法制備CdS量子點的實驗時,，他們發(fā)現(xiàn)本該發(fā)黃色熒光的量子點發(fā)出了紅色熒光，還非常穩(wěn)定,。學(xué)生以為實驗操作過程中犯了錯誤,，當(dāng)時找我說明情況時還滿帶愧疚之情。但經(jīng)過仔細(xì)地分析表征后,，我發(fā)現(xiàn)這并不是實驗操作過程中的錯誤導(dǎo)致,，而是一個新的現(xiàn)象，于是我和學(xué)生一起深入研究該現(xiàn)象,，得出了異價摻雜所產(chǎn)生的摻雜性能新發(fā)現(xiàn),，并最終將這一研究成果發(fā)表在了《先進(jìn)材料》雜志上?！?/p>
在張加濤看來,，始終瞄準(zhǔn)世界科技前沿，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,，在原始創(chuàng)新領(lǐng)域取得世界一流的原創(chuàng)性成果一直是團(tuán)隊努力和堅守的方向,。就在兩個月前，2017年12月18日,，張加濤與意大利米蘭比可卡大學(xué)Sergio Brovelli教授合作（共同通訊作者）在國際納米科技權(quán)威雜志《自然·納米技術(shù)》在線發(fā)表了最新研究成果,，研究結(jié)果表明通過非磁性雜質(zhì)摻雜而誘導(dǎo)的激發(fā)過程可以獲得光學(xué)可轉(zhuǎn)換的磁性納米半導(dǎo)體材料，實現(xiàn)其光,、電,、磁學(xué)性能有效調(diào)控，促進(jìn)其在光電自旋器件的應(yīng)用,。值得注意的是,，該工作的主要實驗工作由意大利米蘭比可卡大學(xué)在讀博士研究生Valerio Pinchetti及北理工材料學(xué)院在讀博士研究生邸秋梅完成、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Scott A. Crooker教授進(jìn)行了磁光性能測試,，張加濤及北理工材料學(xué)院分別為共同通訊作者及第二通訊單位,。可以說,，這項成果得益于北理工外國專家引智計劃經(jīng)費的支持,，是學(xué)校推進(jìn)“新材料科學(xué)與技術(shù)”一流學(xué)科建設(shè)國際化的典型范例。
面向“雙一流”建設(shè),，“新材料科學(xué)與技術(shù)”作為北理工“世界一流大學(xué)”建設(shè)方案中重點建設(shè)的“5+3”學(xué)科方向之一,，正在取得多項突破。在北理工這片沃土上,，張加濤的堅守也一定會讓他在專業(yè)領(lǐng)域取得更大成績,，為學(xué)校的“雙一流”建設(shè)抒寫下濃墨重彩的一筆。
