【師資隊伍系列報道】張加濤：讓納米半導(dǎo)體“1+1＞2”
發(fā)布日期：2018-07-29 供稿：黨委宣傳部 王朝陽 攝影：材料學(xué)院
編輯：王朝陽 審核：藺偉,、張青山 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,，在國際知名物理化學(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)站進行專題報道,。
該雜志主動約稿的封面文章,，來自北京理工大學(xué)材料學(xué)院張加濤教授團隊，也代表了國際業(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》向北理工張加濤團隊發(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,。”作為北京理工大學(xué)的首位徐特立特聘教授,，張加濤這樣談到,。2018年3月，因在無機納米材料化學(xué)領(lǐng)域作出的突出貢獻,，張加濤受聘為英國皇家化學(xué)會會士（Fellowship of the Royal Society of Chemistry ）,。
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，創(chuàng)造具有全新功能性新物質(zhì)的可能性,。因此,，當(dāng)半導(dǎo)體材料遇到了納米技術(shù)，就形成了一個前景廣闊的新研究領(lǐng)域——半導(dǎo)體納米材料,。半導(dǎo)體納米材料憑借優(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,，迅速成為最為前沿的科學(xué)研究方向,。半導(dǎo)體納米晶材料，或者稱為半導(dǎo)體量子點材料,，就是最具代表性的半導(dǎo)體納米材料之一,。
“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,。“但我做的不是諸如硅這種傳統(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)材料的廣泛應(yīng)用,，關(guān)鍵就是要解決納米級的精準摻雜問題。但是,，由于半導(dǎo)體納米晶材料尺寸小,，自清潔（或者說自排斥）效應(yīng)使雜質(zhì)在其中很不穩(wěn)定，因此,，實現(xiàn)精準摻雜難度很大,。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,。
張加濤帶領(lǐng)研究團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,，并且摻雜濃度可控,。該研究方法被國際量子點物理等研究領(lǐng)域知名專家所引用，并給予了高度評價,。
正是基于這樣的研究突破,，張加濤團隊實現(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，他們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玻璃里的宏觀尺寸的均勻分散,，進一步增大了斯托克斯位移（Stokes位移），達到0.85eV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)部的精準位置,，這對納米半導(dǎo)體材料的意義重大,，可以讓雜質(zhì)參與到半導(dǎo)體的能量傳導(dǎo)過程,，并且成為不消耗能量的真正‘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’的效果,?！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研究領(lǐng)域取得的研究成果,，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》為題對團隊的研究做了專題報道,。
之后,，張加濤團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。在取得研究突破的同時,，團隊還積極從該半導(dǎo)體材料的特性出發(fā),，積極探索其在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用，所形成的研究成果也相繼發(fā)表在《先進材料》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,?！睆埣訚f,，“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,，做一流教師，建一流學(xué)科
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,。”在國外求學(xué)期間,，張加濤每天早晨9點進入實驗室,，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隊目前有5名教師,，均具有海外留學(xué)背景,，團隊研究生保持在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40余篇,、他引3000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,。團隊培養(yǎng)博士生曾2次獲得北理工優(yōu)秀博士論文，其中紀穆為博士的博士論文獲得了第二屆中國材料研究學(xué)會優(yōu)秀博士論文獎,。
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。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?！皠⒔『挖w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《先進材料》雜志上,。”
在張加濤看來,，始終瞄準世界科技前沿,，加強基礎(chǔ)研究，在原始創(chuàng)新領(lǐng)域取得世界一流的原創(chuàng)性成果一直是團隊努力和堅守的方向,。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，在國際納米科技權(quán)威雜志《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotech. 2018, 13, 145）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,。這項成果得益于北理工外國專家引智計劃的支持,，也成為學(xué)校推進“新材料科學(xué)與技術(shù)”一流學(xué)科群建設(shè)國際化的典型范例?！?/p>
正是因為有一批像張加濤這樣的優(yōu)秀教師,，北理工沿著“5+3”的一流學(xué)科群建設(shè)之路，步伐堅實地邁向世界一流,。在建設(shè)中國特色世界一流大學(xué)的宏偉事業(yè)中,，“張加濤們”將在北理工的發(fā)展藍圖上，在自己的人生畫卷上,，寫下一筆筆精彩的篇章,。
