我的老师

【师资队伍系列报道】张加涛:让纳米半导体“1+1>2”

  2017年8月,一篇题为《胶体纳米晶的异价掺杂:阳离子交换提供掺杂发光和掺杂能级调控新途径》( “Heterovalent doping in Colloidal Semiconductor Nanocrystals: Cation Exchange-Enabled New Accesses to Tuning Dopant Luminescence and Electronic Impurities”)的论文,以封面文章的形式,在国际知名物理化学学术期刊《美国物理化学快报(Journal of Physical Chemistry Letters)》发表,并受邀以视频形式在美国化学会网站进行专题报道。

  该杂志主动约稿的封面文章,来自北京理工大学材料学院张加涛教授团队,也代表了国际业界对我校在纳米级半导体研究领域成果的积极评价。2016年12月22日,《美国物理化学快报》向北理工张加涛团队发来一封邀请邮件,邀请为其撰写一篇展望论文(perspective),以介绍北理工在半导体(II-VI族,III-V族)纳米结构中异价掺杂领域的研究成果。

  “perspective一般由编辑部邀请撰写,而非自己投稿,我们的团队之所以能够为业界所了解,受到该刊物的邀请,主要是因为我们一直在纳米材料与能源化学领域专注半导体纳米晶的掺杂问题,并进行了原创性研究。能够受邀撰写perspective,并在杂志的封面发表,我想这是对北理工在该领域的研究成果,及其在业内的引领作用,最好的肯定。”作为北京理工大学的首位徐特立特聘教授,张加涛这样谈到。2018年3月,因在无机纳米材料化学领域作出的突出贡献,张加涛受聘为英国皇家化学会会士(Fellowship of the Royal Society of Chemistry )。

用新原理、新方法,在纳米间为半导体“摆弄”杂质

  半导体之所以能被广泛应用在光电领域中,核心原理就是在其微观的晶格结构中植入了杂质,以改变其电性,实现对光、电、磁等性质的调控,使其能够应用在高效率发光器件、太阳能电池、自旋电子器件等新型光电、新能源器件中。纳米技术的兴起和蓬勃发展,给予了人们通过直接操纵原子和分子的排布,创造具有全新功能性新物质的可能性。因此,当半导体材料遇到了纳米技术,就形成了一个前景广阔的新研究领域——半导体纳米材料。半导体纳米材料凭借优良的光化学稳定性和诸多未知的材料特性,引发国际科学界的广泛关注与兴趣,迅速成为最为前沿的科学研究方向。半导体纳米晶材料,或者称为半导体量子点材料,就是最具代表性的半导体纳米材料之一。

  “我们熟知的硅谷就是各国半导体工业聚集区的代名词,硅就是一种半导体,之所以能够加工成为电子器材,就是因为在纯半导体硅里加入了杂质,使其纯度下降,并产生发光、发电等其他性质。”张加涛笑称自己做的是“1+1>2”的事。“但我做的不是诸如硅这种传统半导体,而是更有难度的II-VI,III-V族半导体纳米晶材料。”

  在半导体纳米晶材料的研究中,要实现材料的广泛应用,关键就是要解决纳米级的精准掺杂问题。但是,由于半导体纳米晶材料尺寸小,自清洁(或者说自排斥)效应使杂质在其中很不稳定,因此,实现精准掺杂难度很大。如何使杂质在半导体纳米材料中稳定地发挥作用,就成为了该领域面临的一道国际性难题。

  张加涛带领研究团队通过近三年的研究,利用纳米化学方法,通过选择不同膦配体引发的被掺杂离子的非晶半导体纳米颗粒与主体半导体阳离子之间的离子交换反应,调控其反应的热力学和动力学过程,实现被掺杂离子在半导体纳米晶(II-VI族等)中的深度位置的异价取代性掺杂,实现了Ag+,Cu+离子等在II-VI族半导体纳米结构(量子点,纳米片,2D薄膜)中的深度取代性掺杂,并且掺杂浓度可控。该研究方法被国际量子点物理等研究领域知名专家所引用,并给予了高度评价。

  正是基于这样的研究突破,张加涛团队实现了II-VI半导体量子点中稳定、高效的掺杂发光(绝对量子产率可达50%以上,稳定1年以上),有效避免了“自清洁”引起的掺杂发光不稳定性;另一方面,利用Ag+,Cu+的异价取代性掺杂,实现了p型,n型II-VI族量子点的制备及掺杂能级调控。此外,他们还利用原位甲基丙烯酸甲酯配体交换,实现了这些掺杂纳米晶在有机玻璃里的宏观尺寸的均匀分散,进一步增大了斯托克斯位移(Stokes位移),达到0.85eV以上,实现了优良的荧光聚集性能。

  “我们的研究通俗点说,就是让杂质可控地固定在纳米晶内部的精准位置,这对纳米半导体材料的意义重大,可以让杂质参与到半导体的能量传导过程,并且成为不消耗能量的真正‘杂质’,从而实现为半导体纳米材料加入杂质的‘1+1>2’的效果。”张加涛教授通俗地概括了这一成果的最终成效。

  北理工在纳米晶材料研究领域取得的研究成果,也得到了国际同行的肯定,相关研究成果陆续发表在顶级SCI期刊《德国应用化学》《先进材料》《NPG亚洲材料》(Nature子刊)以及美国《物理化学C》杂志上,值得一提的是《Nature》杂志网站还以《量子点:取向连接成纳米片》为题对团队的研究做了专题报道。

  之后,张加涛团队在异价掺杂纳米晶研究的基础上,又聚焦贵金属形成金属/半导体异质纳米晶的研究,实现了这一复合结构的进一步能带工程调控,即在纳米尺寸上实现了金属与掺杂半导体的结合。在取得研究突破的同时,团队还积极从该半导体材料的特性出发,积极探索其在新能源领域的应用,所形成的研究成果也相继发表在《先进材料》杂志上。

  “半导体纳米材料形成更多种类的异价掺杂后,组装成膜可以形成PN结器件,也就是由不同种基材组成的半导体基片,进而可以制作成场效应晶体管、发光二极管、太阳能电池等,这是我在perspective里提到的展望。”张加涛说,“新原理、新方法,之后才会产生新材料。我们做的就是探索最前沿的原理和方法,为日后学界和业界新材料的制造、应用提供指导性意见,说不定还能引发一场材料界的工业革命呢!”说起自己的研究,张加涛非常自豪,“做别人没有的,才是有趣的!”

敢攻关、敢坚持,做一流教师,建一流学科

  张加涛对科研工作有着异乎寻常的执着,他常对学生讲:“世上无难事,只要肯登攀,攀登科学技术高峰,只要敢想敢做、坚持去做、努力去做,一定会有所收获。”在国外求学期间,张加涛每天早晨9点进入实验室,晚上11点才离开,这位被称作“911”先生的张博士每天中午只在实验室隔壁的小屋子里用半个小时吃饭,之后便又一头扎进实验室中。正是多年来在纳米材料化学方面的钻研不辍,他带着丰富的学术研究经验、卓越的研究成果和执着的科学精神,回国后受邀成为北京理工大学首位徐特立特聘教授。

  张加涛所在的研究团队目前有5名教师,均具有海外留学背景,团队研究生保持在40人左右,其中包括2名留学生。近年来,张加涛以第一作者、通讯作者在《自然》《科学》《德国应用化学》《先进材料》《纳米快报》等学术期刊发表了40余篇论文,ESI高被引3篇。2013年获“国家优青”资助以来,发表通讯作者论文40余篇、他引3000余次、单篇他引最高710余次、授权专利5件、受邀英文专著4部/章。团队培养博士生曾2次获得北理工优秀博士论文,其中纪穆为博士的博士论文获得了第二届中国材料研究学会优秀博士论文奖。

  除了做好一名青年学者,张加涛把成为一名好老师作为自己的目标。张加涛非常关注学生们的兴趣所在,帮助学生选择与前沿领域相关并符合个人兴趣、特点的课题。他十分鼓励优秀的本科生进入实验室,提高动手能力和实验水平。多阅读国内外著名学术期刊的高水平文章,在学习他人经验的同时逐渐培养自己的独立思考能力,也是他时常的建议。

  张加涛鼓励学生在科研方面培养创新精神,不错过灵感闪现的瞬间。“刘健和赵倩都是我的硕士生,他们都相继获得了北理工优秀毕业论文,在用离子交换法制备CdS量子点的实验时,他们发现本该发黄色荧光的量子点发出了红色荧光,还非常稳定。学生以为实验操作过程中犯了错误,当时找我说明情况时还满带愧疚之情。但经过仔细地分析表征后,我发现这并不是实验操作过程中的错误导致,而是一个新的现象,于是我和学生一起深入研究该现象,得出了异价掺杂所产生的掺杂性能新发现,并最终将这一研究成果发表在了《先进材料》杂志上。”

  在张加涛看来,始终瞄准世界科技前沿,加强基础研究,在原始创新领域取得世界一流的原创性成果一直是团队努力和坚守的方向。2017年12月18日,张加涛与意大利米兰比可卡大学Sergio Brovelli教授合作,在国际纳米科技权威杂志《自然·纳米技术》(Nature Nanotech. 2018, 13, 145)发表了最新研究成果,研究结果表明通过非磁性杂质掺杂而诱导的激发过程可以获得光学可转换的磁性纳米半导体材料,实现其光、电、磁学性能有效调控,促进其在光电自旋器件的应用。值得注意的是,该工作的主要实验工作由意大利米兰比可卡大学在读博士研究生Valerio Pinchetti及北理工材料学院在读博士研究生邸秋梅完成,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Scott A. Crooker教授进行了磁光性能测试,张加涛及北理工材料学院分别为共同通讯作者及第二通讯单位。这项成果得益于北理工外国专家引智计划的支持,也成为学校推进“新材料科学与技术”一流学科群建设国际化的典型范例。 

  正是因为有一批像张加涛这样的优秀教师,北理工沿着“5+3”的一流学科群建设之路,步伐坚实地迈向世界一流。在建设中国特色世界一流大学的宏伟事业中,“张加涛们”将在北理工的发展蓝图上,在自己的人生画卷上,写下一笔笔精彩的篇章。

发表时间:2018-08-04 供稿: 党委宣传部 王朝阳
分享到: