張晗：在二維材料世界綻放異彩

張晗：在二維材料世界綻放異彩

本刊記者 付 強(qiáng)

專家簡介：

張晗，國家“青年千人計劃”專家，深圳大學(xué)特聘教授、博士生導(dǎo)師，深圳市政協(xié)委員。入選首屆國家自然科學(xué)基金委“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”，中組部青年千人計劃獲得者，教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”，基金委重點(diǎn)項目及深圳市孔雀創(chuàng)新團(tuán)隊負(fù)責(zé)人，深圳黑磷光電技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室及二維材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。2011年7月從新加坡南洋理工大學(xué)博士研究生畢業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位；2013年至今，在深圳大學(xué)光電科技協(xié)同創(chuàng)新中心范滇元院士團(tuán)隊工作，在Nature Photonics，Nature Communications（3篇），PRL，Advanced Materials等光電期刊共發(fā)表論100余篇，論文總引用超過7600次（google學(xué)術(shù)搜索）, H因子為42，其中ESI高引用論文20篇，單篇引用超過1000次的論文（1篇），單篇引用超過100次的論文（23篇）。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)打破了“二維材料無法現(xiàn)實(shí)存在”的理論設(shè)定，并以優(yōu)異的性能吸引了全世界研究人員的關(guān)注。就在石墨烯不斷刷新人們認(rèn)識的同時，科學(xué)家也提出了一個問題：除了石墨烯，是否存在其它同樣具有卓越性能的二維材料？隨著研究的深入，類石墨烯材料如拓?fù)浣^緣體、二硫化鉬、六角氮化硼等相繼進(jìn)入研究人員的視野。在這種大背景下，黑磷重新贏得了科學(xué)家們的重視，盡管它已出現(xiàn)了一個多世紀(jì)。在剛剛過去的2015年激光領(lǐng)域“十大”技術(shù)進(jìn)展評選中，“基于黑磷的光纖鎖模激光器”以絕對的分量名列其中，而這個發(fā)明的主要貢獻(xiàn)者就是深圳大學(xué)特聘教授張晗，由他帶領(lǐng)的深圳市孔雀創(chuàng)新團(tuán)隊首次制備出了基于黑磷的光纖鎖模激光器，成功獲得超短脈沖激光。

亦開拓者 亦引領(lǐng)者

自2014年復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波課題組在《自然·納米科技》雜志上發(fā)表了黑磷場效應(yīng)管研究工作，黑磷作為二維材料開始進(jìn)入公眾視野。黑磷同白磷、紅磷共同組成了“磷”家族，不同的是，黑磷是由白磷在高壓下加熱制得，具有類似石墨的層狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。黑磷擁有諸多類似石墨烯的優(yōu)異特性，故被譽(yù)為可比肩石墨烯的“夢幻材料”。

“首先，黑磷擁有可控調(diào)節(jié)的能隙，更容易進(jìn)行光探測；第二，黑磷的能隙可以通過層數(shù)來調(diào)節(jié)，能夠吸收從可見光到通訊用紅外線范圍的波長；第三，黑磷是一種直接能隙半導(dǎo)體，能將電子信號轉(zhuǎn)成光信號。這些都是黑磷區(qū)別于石墨烯等二維材料的特異性，也是黑磷的優(yōu)勢所在”，張晗娓娓道來。

很快，張晗也加入了這場開拓行動。在他自己的課題組與深圳先進(jìn)技術(shù)研究院喻學(xué)鋒研究員課題組的齊心協(xié)力下，由課題組成員郭志男博士后等成功摸索出了新型二維材料黑磷的液相制備新方法，并揭示了黑磷獨(dú)特的層數(shù)依賴?yán)匦院凸鈱W(xué)非線性，相關(guān)論文已被材料學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威刊物《先進(jìn)功能材料》(Adv. Funct. Mater.)進(jìn)行了封面報道。

完成新材料的制備只是第一步，接下來是打破制約薄層黑磷實(shí)現(xiàn)大批量制備的瓶頸。通過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)與探索，他們終于摸索出了堿性溶液液相剝離黑磷的新方法，實(shí)現(xiàn)了黑磷從塊材到薄層乃至單層（黑磷烯）的高效剝離和制備，通過該方法制備得到的黑磷可在水等傳統(tǒng)溶劑中穩(wěn)定分散，大大擴(kuò)展了黑磷的應(yīng)用范圍。

隨著研究的不斷深入，課題組捕捉到了薄層黑磷具有的拉曼紅移現(xiàn)象。他們研究發(fā)現(xiàn)黑磷具有寬帶可飽和光吸收特性，波長范圍可覆蓋可見光到中紅外波段，“這一特性的發(fā)現(xiàn)為中紅外超快光學(xué)器件的研發(fā)創(chuàng)造了可能”。緊接著，課題組成員徐艷華博士又首次研發(fā)了基于黑磷及量子點(diǎn)的光纖鎖模激光器，得到了超短脈沖激光的輸出信號，該發(fā)現(xiàn)以封面文章的形式發(fā)表在《先進(jìn)光學(xué)材料》(Advanced Optical Materials)，并被Wiley旗下Materials Views China以專題形式進(jìn)行了報道。

除了在光電領(lǐng)域大放異彩之外，黑磷在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景同樣無可限量。張晗與喻學(xué)鋒研究員、香港城市大學(xué)朱劍豪教授等緊密合作，巧妙采用聯(lián)合探頭超聲和水浴超聲的液態(tài)剝離方法，可控制備二維層狀黑磷量子點(diǎn)，得到橫向尺寸約為2.6納米的單原子層厚度黑磷量子點(diǎn)。通過檢測這種超小的黑磷量子點(diǎn)的光學(xué)屬性和對不同細(xì)胞系生存率的影響，課題組驚喜地發(fā)現(xiàn)了其優(yōu)異的近紅外光學(xué)性能，在808納米的光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到28.4%，在近紅外激光的照射下能夠顯著殺死腫瘤細(xì)胞，并且在多種細(xì)胞系中均展現(xiàn)出良好的生物相容性。該工作已被Angew.Chem.Int.Ed.作為封面報道，并被評為熱點(diǎn)文章。

作為另一種形式的二維材料，二維層狀結(jié)構(gòu)的超小黑磷量子點(diǎn)作為高效光熱制劑用于癌癥腫瘤治療擁有巨大的潛力；同時因?yàn)榱资巧矬w內(nèi)必需的元素，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有無可比擬的優(yōu)勢。該聯(lián)合團(tuán)隊進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，黑磷還有望在納米載藥領(lǐng)域大放光彩，相關(guān)系列工作即將發(fā)表于《自然·通信》及《先進(jìn)材料》(Adv. Mater.)，這為將來研制出基于黑磷的高效光熱/化療/載藥聯(lián)合治療體系奠定了理論及實(shí)踐基礎(chǔ)?！吧钲诮M建了全國乃至全球首個黑磷材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)室——深圳黑磷光電技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，這將有利于深圳在黑磷材料產(chǎn)業(yè)的全球競爭中搶占制高點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是將黑磷與高精尖產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)工程化與量化，否則相關(guān)的研究始終將處于概念化的階段”，未來，張晗任重而道遠(yuǎn)。

產(chǎn)業(yè)頂天 科研立地

在黑磷的研究上，國內(nèi)外不僅處于同一起跑線，國內(nèi)甚至還提前邁出了第一步。但由于西方國家的研究體系相對成熟，他們的研究速度也很快。有數(shù)據(jù)顯示，2015年全世界發(fā)表的黑磷相關(guān)SCI文章約697篇，其中中國占了194篇，約為1/3，而其余2/3大都集中在美國和新加坡。“我國要想在黑磷研究上贏得先機(jī)，除了鞏固優(yōu)勢，必須提前布局前沿光電器件，集中精力實(shí)現(xiàn)黑磷在光電傳感器、探測器、中紅外激光等光電領(lǐng)域的突破”，張晗敏銳地覺察到了未來的前景。

“深圳的光電器件產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢巨大，擁有中興、華為等眾多龍頭企業(yè)，不但提供唾手可得的材料，更蘊(yùn)含著巨大的市場潛力，讓成果轉(zhuǎn)化水到渠成。這都讓我們的研究始終能‘接地氣’”，張晗認(rèn)為，不管研究多么先進(jìn)，多么超前，只有轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，才有發(fā)展價值。

他相信，科研成果是土壤，是養(yǎng)分，有了它的滋潤，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)才能蓬勃生長、枝繁葉茂。如今30歲出頭的張晗，年紀(jì)不大，卻已扎根于二維材料領(lǐng)域潛心研究9年之久。早在2005年，還在武漢大學(xué)攻讀材料物理學(xué)本科的他，就與新材料結(jié)緣。2007年，他遠(yuǎn)赴新加坡南洋理工大學(xué)進(jìn)行激光學(xué)方向博士研究，偶然間萌生了要將新材料與光電工程相結(jié)合的想法。

“兩個看似不相關(guān)的學(xué)科融合在一起，一定會碰發(fā)出不一樣的創(chuàng)新火花”。就這樣，從碳納米管到后來“火熱”的石墨烯，張晗憑著一股好奇心和探索精神，在這條交叉學(xué)科的路上勇往直前。2012年，博士畢業(yè)回國，張晗選擇了深圳，這一片創(chuàng)新的熱土。“相比北京的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新環(huán)境，深圳更適合年輕人，它可以提供更大的空間供年輕人施展”，同時他也入選了深圳市“孔雀計劃”。

在“孔雀計劃”團(tuán)隊的申請過程中，曾有評委建議張晗的團(tuán)隊“加快市場轉(zhuǎn)換突破”，但張晗沒有選擇那樣做，他更希望團(tuán)隊能踏踏實(shí)實(shí)地做好基礎(chǔ)研究，以“初生牛犢不怕虎“的勇氣啃下這塊“硬骨頭”?！翱茖W(xué)家需要在幕后承擔(dān)更多的使命，只有夯實(shí)了科研之基石，產(chǎn)業(yè)大廈才能屹立不倒”，張晗身肩重?fù)?dān)，卻不辱使命。目前他作為深圳大學(xué)的教授、博士生導(dǎo)師，指導(dǎo)了20位博士/博士后的研究，還兼顧碩士班課程。在張晗看來，高等院校數(shù)量、水平發(fā)展的滯后一直是深圳的一大痛，他希望這份堅守能夠帶動更多的人才留在高校，以微薄之力推動深圳科研的發(fā)展。

對于黑磷未來發(fā)展的種種不確定性，張晗信心滿滿，但同時也保持著一份淡然，“我們要進(jìn)一步挖掘黑磷的潛力，尋找其不可替代的關(guān)鍵性質(zhì)，然后再逐步建立和開放更多的應(yīng)用出口。黑磷是否能夠成為下一個‘新材料金礦’，需要交給市場去檢驗(yàn)?！?/p>

在深圳大學(xué)的黑磷工程實(shí)驗(yàn)室里，張晗和他的學(xué)生們穿著里外兩層的防塵服，用帽子包裹住頭發(fā)，全身上下只能露出雙手和一張臉。他們在一次又一次地實(shí)驗(yàn)、記錄、再實(shí)驗(yàn)……