探索纳米材料,带你了解苏州纳米所张跃钢课题组


来源:中国粉体网   青黎

[导读]  课题组致力于研究纳米材料的合成与表征技术,探索纳米材料在能源转换及存储,以及低维电子器件领域的应用。

中国粉体网讯  


一、课题组简介


课题组致力于研究纳米材料的合成与表征技术,探索纳米材料在能源转换及存储,以及低维电子器件领域的应用。以碳基材料(包括石墨烯、氧化石墨烯、碳管及其半导体复合材料等)为主要研究对象,利用分子设计、结构优化、界面/表面构筑、模板调控等手段,开发和设计具有高效能量转换能力的新型纳米复合材料;发挥纳米材料物性结构优势,设计开发适用于电化学原位表征技术的微纳米电子器件;并进一步通过先进表征手段对电极/电解液界面的电化学过程及进行原位实时检测,深入探究反应机理、界面结构及界面效应等对器件性能造成的影响,不断优化设计并实现其产业化应用。


二、课题组负责人




张跃钢教授是国际著名材料科学家。现为清华大学物理系长聘教授,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所客座研究员。兼任“Scientific Reports”, “Graphene”, “Flexible Electronics”,“功能材料”等学术期刊编委,30多家国际学术杂志论文评审专家,美国布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心评审委员,美国国家科学基金评审委员,美国Keck基金评审委员,法国-伯克利基金评审委员。是美国材料学会,化学学会,电化学学会及IEEE会员,担任中国化学会第29届理事会理事。


张跃钢教授毕业于清华大学物理系,于1996年在日本东京大学获得材料学博士学位。之后曾就职于日本电气基础研究所、斯坦福大学、美国英特尔公司(资深研究员)、美国伯克利国家实验室(终身研究员)等机构。曾担任国际半导体技术规划(ITRS)新器件及新材料专家工作组成员,美国基础纳米科学年会自组装结构与器件分支主办委员会成员。迄今为止承担科研项目十多项。


张跃钢教授在国内外从事科学研究工作近30年,期间在多个研究领域,如“纳米材料的合成与表征”、“纳米器件的设计及微纳加工技术”、“能源转化的化学物理机理”、“电化学能量存储器件”和“界面原位表征技术”都取得了重要的研究成果。截至2021年1月共发表SCI论文180余篇,被引用次数超过17000次(h-index为61);获得授权专利30余项;为5部专著撰写有关章节;并受邀在30多个国际会议上作过特邀报告。


近年来,在锂离子电池、锂硫电池、镁硫电池、超级电容器等电化学能量存储方面的研究进展:


(1)提出了在锂硫电池中利用氧化石墨烯化学固硫的概念,相关论文单篇引用超过了600次;


(2)其中基于氮化石墨烯/硫复合电极材料所设计的锂硫电池循环寿命高达2000次,创造了该类型电池的新纪录,其比容量、充放电速率也均居于世界领先水平;


(3)自主研发设计了原位扫描/透射电镜电化学芯片,实现了对电极充电过程的实时观测,Advanced Energy Materials和Advanced Materials杂志刊登了相关成果;


在纳米材料合成与表征、纳米器件制造与测试方面的主要创新成果包括:


(1)合成了由纳米管和半导体纳米线组成的纳米同轴电缆结构(发表在Science杂志上);


(2)实现了单层碳纳米管与半导体或金属间的纳米异质结构(发表在Science杂志上),这个研究成果对改善碳纳米管器件的电学接触特性起了重要作用;


(3)发现了碳纳米管对光照有电学及力学反应,为以后纳米管人工肌肉的研究奠定了基础;


(4)用实验证明了用化学气相沉积法制备的碳纳米管半径与金属催化颗粒尺寸的对应关系,对碳纳米管生长机理的研究起了重要作用;


(5) 运用电场对碳纳米管的排列效应实现了器件制备所要求的化学气相沉积纳米管的原位有序生长;


(6)用化学或生物分子对碳纳米管表面进行非共化键改性,非共化键改性不会影响碳纳米管的电学特性,但仍然可以用来在纳米管上安装蛋白质,纳米晶粒等,对化学或生物传感器至关重要,相关论文被引用次数超过1900次;


(7)实现了由单个纳米管与金属纳米颗粒组成的具有单电子灵敏度的纳米闪存器件;


(8)利用碳纳米管与SiO2组成的“纳米铅笔”核壳结构纳米探针在压电介质上实现了超高密度数字存储器件;


(9)提出和实现了用光学捕获方法操作与分离碳纳米管。


2008年起在美国伯克利国家实验室开展了石墨烯材料的研究


(1)用化学气相沉积法直接在介电基底上形成单层石墨烯薄膜和纳米带场效应器件阵列;


(2)观察了单层石墨烯迪拉克点附近的反常噪声特性;

(3)研究了石墨烯纳米带器件的量子局限效应,揭示了石墨烯纳米带的宽度对其输运特性的影响。


三、课题组研究方向


(1)二维纳米材料



课题组致力于探索低维碳纳米材料的合成、修饰及组装方法,控制其形貌、结构及几何图样,应用于纳米电子及能源储存器件研究中。主要开发了多种类型的化学气相沉积法在不同的基底上生长石墨烯及碳纳米管薄片;突破性直接在SiO2基底上生长石墨烯纳米带,不仅直径、长度和沉积位置可控,其载流子迁移率更超过1000cm2/V.s;此外,课题组也研究了包括SiC 热处理、液相石墨剥离、氧化石墨烯还原、等离子体辅助CVD法等多种材料合成、修饰及组装技术。


(2)电化学储能器件



针对现有锂硫电池体系发展的技术瓶颈,课题组利用碳材料载流子传输效率高、化学吸附活性强、多孔结构可调节等优势,制备出碳-电化学活性复合材料,其电容量、充放电速率及循环寿命都得到了极大的提升;以氧化石墨烯作为固定剂,有效阻止了硫及多硫化物在有机电解液中的溶解, 该GO-S复合材料显示出优异的可循环性及电容稳定性;此外,在锂离子电池,锂硫电池,超级电容器等电化学能量存储方面的研究也取得了突出进展,设计了不同纳米结构的电极材料应用于锂硫电池体系,相关成果发表在Energy & Environmental Science,J.Am. Chem. Soc.,Nano Letters等杂志上。


(3)电化学过程及界面原位表征



课题组通过拉曼光谱、透射电镜等表征手段对电化学过程及界面进行原位实时检测,深入探究其反应机理、异质结构及界面效应等对性能造成的影响,不断优化并实现其产业化开发应用。


(4)太阳能高效转换



课题组的研究兴趣在于设计和开发高效能量转换纳米复合材料,通过利用异质结构界面效应,克服传统半导体材料可见光范围内光催化效率低,窄带隙半导体材料光腐蚀严重等缺陷,探索其在光催化制氢和光电化学器件中的应用。


参考来源:

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所官网

         


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作者:青黎

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