【師資隊伍系列報道】張加濤：讓納米半導體“1+1＞2”
發(fā)布日期：2018-07-29 供稿：黨委宣傳部 王朝陽 攝影：材料學院
編輯：王朝陽 審核：藺偉、張青山 閱讀次數：
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學術期刊《美國物理化學快報（Journal of Physical Chemistry Letters）》發(fā)表，并受邀以視頻形式在美國化學會網站進行專題報道。
該雜志主動約稿的封面文章，來自北京理工大學材料學院張加濤教授團隊，也代表了國際業(yè)界對我校在納米級半導體研究領域成果的積極評價。2016年12月22日，《美國物理化學快報》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體（II-VI族，III-V族）納米結構中異價摻雜領域的研究成果。
“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領域專注半導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域的研究成果，及其在業(yè)內的引領作用，最好的肯定。”作為北京理工大學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領域作出的突出貢獻，張加濤受聘為英國皇家化學會會士（Fellowship of the Royal Society of Chemistry ）。
用新原理、新方法，在納米間為半導體“擺弄”雜質
半導體之所以能被廣泛應用在光電領域中，核心原理就是在其微觀的晶格結構中植入了雜質，以改變其電性，實現(xiàn)對光、電、磁等性質的調控，使其能夠應用在高效率發(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的可能性。因此，當半導體材料遇到了納米技術，就形成了一個前景廣闊的新研究領域——半導體納米材料。半導體納米材料憑借優(yōu)良的光化學穩(wěn)定性和諸多未知的材料特性，引發(fā)國際科學界的廣泛關注與興趣，迅速成為最為前沿的科學研究方向。半導體納米晶材料，或者稱為半導體量子點材料，就是最具代表性的半導體納米材料之一。
“我們熟知的硅谷就是各國半導體工業(yè)聚集區(qū)的代名詞，硅就是一種半導體，之所以能夠加工成為電子器材，就是因為在純半導體硅里加入了雜質，使其純度下降，并產生發(fā)光、發(fā)電等其他性質。”張加濤笑稱自己做的是“1+1＞2”的事。“但我做的不是諸如硅這種傳統(tǒng)半導體，而是更有難度的II-VI，III-V族半導體納米晶材料。”
在半導體納米晶材料的研究中，要實現(xiàn)材料的廣泛應用，關鍵就是要解決納米級的精準摻雜問題。但是，由于半導體納米晶材料尺寸小，自清潔（或者說自排斥）效應使雜質在其中很不穩(wěn)定，因此，實現(xiàn)精準摻雜難度很大。如何使雜質在半導體納米材料中穩(wěn)定地發(fā)揮作用，就成為了該領域面臨的一道國際性難題。
張加濤帶領研究團隊通過近三年的研究，利用納米化學方法，通過選擇不同膦配體引發(fā)的被摻雜離子的非晶半導體納米顆粒與主體半導體陽離子之間的離子交換反應，調控其反應的熱力學和動力學過程，實現(xiàn)被摻雜離子在半導體納米晶（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族半導體納米結構（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半導體量子點中穩(wěn)定、高效的摻雜發(fā)光（絕對量子產率可達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，就是讓雜質可控地固定在納米晶內部的精準位置，這對納米半導體材料的意義重大，可以讓雜質參與到半導體的能量傳導過程，并且成為不消耗能量的真正‘雜質’，從而實現(xiàn)為半導體納米材料加入雜質的‘1+1>2’的效果。”張加濤教授通俗地概括了這一成果的最終成效。
北理工在納米晶材料研究領域取得的研究成果，也得到了國際同行的肯定，相關研究成果陸續(xù)發(fā)表在頂級SCI期刊《德國應用化學》《先進材料》《NPG亞洲材料》（Nature子刊）以及美國《物理化學C》雜志上，值得一提的是《Nature》雜志網站還以《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上，又聚焦貴金屬形成金屬/半導體異質納米晶的研究，實現(xiàn)了這一復合結構的進一步能帶工程調控，即在納米尺寸上實現(xiàn)了金屬與摻雜半導體的結合。在取得研究突破的同時，團隊還積極從該半導體材料的特性出發(fā)，積極探索其在新能源領域的應用，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結器件，也就是由不同種基材組成的半導體基片，進而可以制作成場效應晶體管、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，為日后學界和業(yè)界新材料的制造、應用提供指導性意見，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、敢堅持，做一流教師，建一流學科
張加濤對科研工作有著異乎尋常的執(zhí)著，他常對學生講：“世上無難事，只要肯登攀，攀登科學技術高峰，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方面的鉆研不輟，他帶著豐富的學術研究經驗、卓越的研究成果和執(zhí)著的科學精神，回國后受邀成為北京理工大學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，均具有海外留學背景，團隊研究生保持在40人左右，其中包括2名留學生。近年來，張加濤以第一作者、通訊作者在《自然》《科學》《德國應用化學》《先進材料》《納米快報》等學術期刊發(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會優(yōu)秀博士論文獎。
除了做好一名青年學者，張加濤把成為一名好老師作為自己的目標。張加濤非常關注學生們的興趣所在，幫助學生選擇與前沿領域相關并符合個人興趣、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。多閱讀國內外著名學術期刊的高水平文章，在學習他人經驗的同時逐漸培養(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。學生以為實驗操作過程中犯了錯誤，當時找我說明情況時還滿帶愧疚之情。但經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致，而是一個新的現(xiàn)象，于是我和學生一起深入研究該現(xiàn)象，得出了異價摻雜所產生的摻雜性能新發(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，加強基礎研究，在原始創(chuàng)新領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Sergio Brovelli教授合作，在國際納米科技權威雜志《自然·納米技術》（Nature Nanotech. 2018, 13, 145）發(fā)表了最新研究成果，研究結果表明通過非磁性雜質摻雜而誘導的激發(fā)過程可以獲得光學可轉換的磁性納米半導體材料，實現(xiàn)其光、電、磁學性能有效調控，促進其在光電自旋器件的應用。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在讀博士研究生Valerio Pinchetti及北理工材料學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，也成為學校推進“新材料科學與技術”一流學科群建設國際化的典型范例。
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”的一流學科群建設之路，步伐堅實地邁向世界一流。在建設中國特色世界一流大學的宏偉事業(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。
