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潘明虎:创建技术平台,发展西部科技

来源:分析化学 阅读数:185 时间:2021-04-23 10:02:26

新材料的探索以及相关凝聚态物理的研究,是催生技术革命和产业化飞跃发展的重要催化剂。半导体物理和硅材料的研究导致了上一次工业革命,促进了计算机产业和信息产业的飞速发展,对人类的科技进步产生了无法估量的重大影响。如今,新型的二维碳基材料——石墨烯,同样在国际上催生了一股研究二维电子材料的热潮。


历任橡树岭国家实验室纳米相材料与科学中心研究员、华中科技大学物理学院教授等职位的陕西师范大学物理学与信息技术学院教授潘明虎,长年深扎石墨烯等二维材料、强关联过渡金属氧化物和纳米、超导材料的研究,在材料制备与物理特性研究、扫描隧道显微镜和扫描隧道谱的设备设计搭建、超高真空技术、超高真空薄膜沉积和分子束外延以及其他超高真空沉积技术、磁特性测量和表面磁光科尔效应等领域完成了多项发明和创新。


潘明虎不仅发现和确认了一种独特的双氮掺杂构型,证实氮掺杂石墨烯可以用来有效地探测有机分子,他还首次成功观察和测量了石墨烯纳米带的边缘结构和边缘电子态,并在实验和理论上证实了边缘上的缺陷结构会引起边缘电子态的自旋极化。


2015年,已在美国从事科研十多年、拥有独立科研团队和研究基金并组建了实验室的潘明虎毅然回国任教。如今,他冀望于发展中国西部的科研事业,把先进的科研理念和科研资源带到西部地区。


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潘明虎和博士后导师薛其坤院士等合影(左一为苏州大学李青教授,左二为薛其坤院士,左三为天津大学马丽颖副教授)



石墨烯与二维材料的重大创新



石墨烯的发现,在国际上催生了一股研究二维电子材料的热潮,甚至被誉为“新材料之王”,其产业的发展已上升到国家战略高度,相关研究成果层出不穷。


众所周知,当一种块体材料的尺寸小到纳米尺度时,连续的价电子能带由于电子限域效应将会分裂成为能量不连续的电子轨道,从而显著地改变材料的电子结构,电子之间的关联性将得到极大的增强。


石墨材料有着悠久的应用历史,包括写字的铅笔,其原材料都是石墨。石墨就是由一层又一层的石墨烯叠起来的,石墨烯的本质是一种单层的碳。直到单个原子层的石墨烯被剥离出来的时候,人们才发现,其电子特性与其他材料的特性完全不一样,迁移率达到106“某一维度的尺寸变小之后,它的特性就会产生一个极大的变化,这就是纳米科学的神奇。”潘明虎说。


石墨烯是极端薄的二维材料,不仅是电荷和热的导体,还拥有很高的载流子迁移率和令人吃惊的物理化学性能,为凝聚态物理研究提供了丰富的物理问题。然而,尽管具有许多优越的性能,展现了“后硅时代”的高性能碳基电子器件的诱人前景,但作为一种二维材料,石墨烯是零隙半导体,这使得其在常规的数字逻辑电路上应用存在重大问题。


潘明虎主要从事凝聚态物理、强关联电子材料、纳米科学与材料和扫描隧道显微技术方面的研究。自2006年起,他在美国橡树岭国家实验室担任研究员多年,逐渐拥有独立的科研团队和研究基金。他注重于强关联过渡金属氧化物和纳米材料的研究,并与世界顶级物理学家、美国科学院院士E.W.Plummer等建立了长期的科研合作关系。


潘明虎用常压化学气相沉积法制备的高质量的单层氮掺杂的石墨烯,发现和确认了一种独特的双氮掺杂构型,在国际上首次展示了通过增强拉曼散射信号,氮掺杂石墨烯可以用来有效地探测有机分子。


他还首次成功地观察和测量了化学气相沉积法制备的石墨烯纳米带的边缘结构和边缘电子态,石墨烯纳米带的边缘结构缺陷可以极大地影响和改变边缘电子结构。他的研究从实验和理论上证实了边缘上的缺陷结构会引起边缘电子态的自旋极化。


不止于此,在化学气相沉积法制备的石墨烯中,潘明虎引入化学吸附的硼原子,可以诱导产生局域自旋磁矩,并通过扫描隧道显微镜,在原子尺度上测量出局域自旋态,观察到了局域自旋在石墨烯中的分布、叠加等现象。


由于缺乏能带带隙,石墨烯制成的场效应管(FET)只有很低的开关比。尽管在石墨烯中可以通过各种方法形成能隙,比如制成石墨烯纳米结构,采用化学功能团改性,或是给石墨烯双层膜施加高电场。然而,这些方法会导致严重的迁移率退化或需要非常高的偏置电压。另一方面,石墨烯是不太可能产生磁性的。尽管理论预测在石墨烯的边缘、畴界、点缺陷如空位可以产生磁矩,然而一直缺乏有效的实验证据,这使得石墨烯在磁电子学(自旋电子学)领域无法应用。因此,探索其他二维材料在纳米电子学和自旋电子学中的应用就成为凝聚态物理中的前沿问题。


过渡金属二硫属化物(MX2)就是这一极佳的替代材料,它展现出极为丰富的电学、光学、机械、化学和热学性质。经过多年发展,二维过渡金属二硫属化物已经逐渐引起凝聚态物理、材料科学和纳米科学技术相关领域的研究热潮。


过渡金属二硫属化物由于强烈的层内相互作用和相对弱的层间相互作用,用微机械解理技术可以制成超薄薄膜,这使得过渡金属二硫属化物很容易制作成纳米电子器件。最受关注的是其可以解离成单个原子层厚度的二维形式,使得在样品的制备、光学测量,甚至二维材料物理上都可以借鉴石墨烯的研究。


过渡金属二硫属化物大部分是半导体,在制备新型场效应管和光电子器件的引用前景极为广阔。如何制备出更高质量(更低的缺陷浓度和更高的载流子迁移率等)的二维过渡金属二硫属化物材料,探索其中奇特的物理性质,如何调控过渡金属二硫属化物材料的电子结构和光学性质,是目前国际上的研究热点,在基础凝聚态物理研究方面也存在着重要科学发现的机遇,同时对未来科学技术如电子、信息技术的突破和产业创新具有非常重要的意义。


2016年以来,已经回国担任华中科技大学物理学院教授的潘明虎通过“微观量子调控二维电子材料MX2薄膜”的国家自然科学基金项目,结合高质量薄膜生长、微观观测、极端条件下物性测量以及理论计算,致力于实现有效调控过渡金属二硫属化物电子性质和磁性。


在潘明虎的构想中,这一研究将在超高真空环境下对过渡金属二硫属化物材料的原位生长与原位测量技术进行有机结合。一方面,可以制备出高质量的薄膜材料;另一方面,原位的表征手段可以有效地避免表面二次污染导致的不确定因素,可以更好地表征材料的本征性质。


从实验内容上讲,在过渡金属二硫属化物薄膜材料中通过系统性地控制掺杂浓度、种类以及磁性/非磁性,来调控材料的电学和磁学性质,是一个重大的创新。


经过多年研究,潘明虎和团队通过分子束外延技术(MBE)生长多种MX2薄膜,并系统引入和控制各种掺杂(磁性或非磁性),从而改变材料的物理性能。同时,结合薄膜材料的生长与STM/S的微观测量以及原位输运测量,来研究新型的过渡金属硫属半导体MX2材料。目前,该项研究已经取得了突破性进展,为未来的MX2电子器件、自旋电子学或新型储能材料的应用打下坚实的基础。


突破碳基能源转化的催化科学



凝聚态物理是研究凝聚态物质的物理性质与微观结构以及它们之间的关系,即通过研究构成凝聚态物质的电子、离子、原子及分子的运动形态和规律,从而认识其物理性质的一门学科。


在潘明虎看来,这是最贴近生活的学科之一,电脑、手机中的芯片、集成电路技术,都是源于凝聚态物理中的半导体物理学。凝聚态物理的研究对象、课题和方向,都与人类日常生活息息相关。


事实上,作为固体物理学的向外延拓,凝聚态物理的研究对象除固体物质以外,还包括许多液态物质,诸如液氦、熔盐、液态金属,以及液晶、乳胶与聚合物等,甚至某些特殊的气态物质,如经玻色-爱因斯坦凝聚的玻色气体和量子简并的费米气体。“凝聚态物理的魅力无穷,一个小小的突破或发现很多时候都可以产生巨大影响,对人类社会产生非常大的促进作用。”潘明虎说。


除了在石墨烯和过渡金属二硫属化物薄膜材料上的创新,潘明虎还在国际上首次准确测量出单层黑磷的能带带隙,观察到黑磷上的边缘态,制备出黑磷以及MoSe2的场效应管。


通过使用多种微观尺度下的测量手段,他在铁基超导体中率先提出局域掺杂不均匀性和超导电性的关系,解释了Filamentary超导是来自不均匀的Pr掺杂导致晶体中产生局部的超导区域。


他还通过直接环化反应高选择性地合成了四轴烯,利用高分辨扫描隧道显微镜对反应进行原位表征,结合反应动力学计算理解反应机制。研究表明,分子在表面的迁移对产物的生成有着至关重要的作用,人们可以通过控制相关反应的动力学因素来选择表面反应的过程。


此外,外尔半金属是一种新颖的量子态,其线性色散关系使得外尔半金属被称为是“三维的石墨烯”,有望构筑无耗散或低耗散的电子电路,克服集成电路的发热难题,在节能方面有很大的潜在应用价值。潘明虎首次通过极低温强磁场扫描隧道显微镜和电输运手段,在外尔半金属TaIrTe4母体(无须掺杂或复杂加工工艺)块材表面上发现表面超导,并给出了非常规超导电性的实验证据。这一结果对马约拉纳费米子的观测与应用具有重要的推动作用。


事实上,由于凝聚态物理是涉及大量微观粒子的体系,而且研究对象进一步复杂化,新结构、新现象和新机制依然层出不穷,需要从实验、理论和计算上进行探索,仍构成对人类智力的强有力的挑战。


值得重点关注的是,基于过渡金属的固相催化剂的发展和应用,丝毫不比过渡金属二硫属化物材料的发展逊色,早已成为现代化学工业的重要基石,在当代化学工业中扮演了至关重要的角色。过渡金属催化剂领域的每一次创新和发展都会在世界范围内引发石油化工、新能源、生物医药等下游产业的产品革新和优胜劣汰。因此,加大对新型、高效过渡金属固相催化剂的科技投入,积极开发具有自主知识产权的新型催化剂产品,对于促进我国社会经济的可持续发展具有十分重要的意义。


与传统催化剂相比,过渡金属单原子和亚纳米金属团簇催化剂具有明显优势,也具有广阔的工业应用前景。一方面是能够最大限度地提高金属原子的使用效率,在同等催化效果的前提下,减少金属的使用量,有利于降低化工生产的催化剂成本;二是从催化反应的角度来看,金属单原子与亚纳米团簇催化剂特殊的电子结构,有助于降低反应能垒,能够实现高效、节能、减排的“绿色催化”的目标;三是催化剂尺寸降低到亚纳米团簇甚至单原子时,可大大提高催化反应的选择性,降低产物分离过程的能耗。


尽管在制备方法、表征手段和实验测试方面已经取得了长足的发展,但过渡金属单原子和亚纳米金属团簇催化剂的发展依然存在亟待解决的关键性难题。


2017年开始,在华中科技大学物理学院任教期间,潘明虎提出了“金属单原子/幻数团簇催化过程的高分辨表征及机理研究”,列入国家自然科学基金重大研究计划“碳基能源转化利用的催化科学”中,经过几年时间的研究,成果显著。


针对单原子金属催化剂具有超高的表面能而容易发生团聚从而降低催化活性的问题,潘明虎团队提出,利用新型二维材料和特殊的有机框架,将具有催化活性的金属原子分散开来,从而可以制备稳定的单原子催化剂。


此外,针对组成亚纳米团簇催化剂的金属原子个数不均一、周围的化学环境不清晰的缺点,潘明虎又提出,利用幻数团簇的稳定壳层结构,制备大小尺寸均一、结构清晰的亚纳米团簇催化剂,进而系统地研究其在C-H键、C-O键的催化活化和C-C键的催化偶联反应过程中的催化机制和团簇构型的关系。


C-H键、C-O键的活化和C-C键的偶联是目前大多数重要的化工过程获得产品的必经之路或者最终目标,在生物医药、精细化工和能源领域有着举足轻重的地位。


潘明虎说,通过理性构建的金属单原子和亚纳米金属催化剂,并结合实空间的高分辨表征技术对以上几种反应的微观催化机制进行系统研究,不仅具有重要的基础科学意义,并且可以为开发新型固相金属催化剂提供合理的依据。


投身西部教育科研事业



潘明虎出生于安徽全椒农村,从小就爱学习、能吃苦。上高中的时候,物理老师在课堂上深入浅出的教学,极大地激发他对物理研究的兴趣。


1992年,潘明虎考入了湖南大学应用物理系。在大学期间,湖南大学刘全慧老师对物理知识的深入浅出的讲解和生动活跃的讨论,极大地激发了潘明虎的物理学习兴趣。1996年,潘明虎从湖南大学本科毕业,随后考上了南京大学凝聚态物理专业博士,2001年获得了博士学位。博士生导师鹿牧教授引导和启发着潘明虎寻找自己的研究方向。


博士毕业后,潘明虎到中国科学院物理研究所进行博士后研究,中国科学院院士薛其坤是他的合作导师。薛其坤是国际著名的实验物理学家,其主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和高温超导电性等,对中国的物理学发展产生了深远影响。


“薛老师是一个大师级专家,知识非常广博。在薛老师课题组工作的3年期间,令我终身难忘并受益颇多的是他做科研的拼命精神。我跟着他做实验的时候,经常从早上8点多一直工作到凌晨12点半左右。”想起在中国科学院物理所的经历,潘明虎记忆尤深,每次实验结束,薛老师还要到实验室检查他们的工作情况,讨论实验问题,到凌晨1点多,他们才各自骑着自行车回去睡觉,这基本上是那3年时间里的常态。


“有时候,他凌晨一两点钟还在坚持工作。不是一天两天或者一个月这样,而是十几年、几十年一直都是这样。”薛其坤院士极其拼命的科研精神,对潘明虎和其他博士生产生了极大的言传身教的作用,为科研奉献的理念,植入了他的骨髓里。


2004年,潘明虎赴美国田纳西大学做博士后研究,他在美国的导师——美国科学院院士E.W.Plummer同样是凝聚态物理学的顶尖专家和创始人之一,科研上的要求极其严格。


“我们2008年做的一个科研项目涉及到铁基超导体,做完之后我个人感觉很好,正想往外投发文章,结果导师看完之后就说这个研究还不成熟,不能发。”潘明虎说,美国导师用严谨的科研态度带领他进行一个个研究,让他在科研上受到了近乎严苛的训练。


此后8年,潘明虎在美国橡树岭国家实验室从助理研究员一步步晋升为研究员。


在短短几年的时间内,他就创建了超高真空高分辨扫描隧道显微镜实验室,催生了大量的创新科研成果。


回国发展对于潘明虎而言,是一个艰难的抉择,却是一个必然的选择。对于在中国农村长大的潘明虎而言,融入美国当地并不难,但融入当地的文化,却有着感情上的困难。在美国发展了近11年时间,潘明虎触到了自己在科研发展上的“天花板”,回国之路渐渐清晰。


一次偶然的机会,潘明虎接触到了华中科技大学物理学院的负责人,并最终接受了华中科技大学的邀请,于2015年1月起全职回国任教。经过6年时间的耕耘,他逐渐在华中科技大学物理科研上站稳脚跟。本应继续稳定下来的潘明虎却再次选择离开,到陕西师范大学任教、科研。


“我一直认为,中国发展的根本问题,是教育的问题,是教育资源不平衡的问题。要发展西部,就要让西部的教育和科研资源跟上去。”在潘明虎看来,西部教育资源贫乏、落后。类似于他这样的科研学者,在发达地区、著名高校随时就能点出几百个,而到西部去,他就能够发挥更大的作用。


潘明虎希望将先进的科研技术和理念带到中国的西部去,“或许自己一个人的能力很小,但也要尽力去拉动、打破这一不平衡的状态”。在潘明虎看来,科研工作的创新不仅需要个人发挥科研能力,更要发挥团队的力量,不仅要与国内科研单位紧密合作,还要与国际科研单位保持密切交流。


谈到未来的规划,潘明虎希望在产生更多科研创新成果的同时,实现更多成果转化。历经20多年,潘明虎在不同阶段导师的指引下,成为不断产生创新科研成果的物理科研专家。如今,他也在言传身教,指引着自己的学生走向科研创新的道路。


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潘明虎

潘明虎,1974年8月出生于安徽全椒,现任陕西师范大学物理学与信息技术学院教授。1996年取得湖南大学应用物理系学士学位,2001年博士毕业于南京大学物理系。之后在中国科学院物理研究所表面重点实验室,美国田纳西大学物理系、橡树岭国家实验室从事博士后研究,曾任美国橡树岭国家实验室纳米相材料与科学中心研究员、华中科技大学物理学院教授等职位,创建了超高真空高分辨扫描隧道显微镜实验室和先进的高分辨扫描隧道显微镜技术平台。

主要从事凝聚态物理、强关联电子材料、纳米科学与材料和扫描隧道显微技术方面的研究,在国际知名学术期刊Advanced Materials、National Science Revie、Nature Communications、Science Advances、Nano Letters、ACS Nano、PNAS、Physical Review Letter等发表SCI论文90余篇。曾作为项目的负责人和主要负责人,参与多个美国能源部(DOE)资助的项目。回国后,作为项目负责人主持多项国家自然科学基金项目。多次受国际国内大学及研究机构邀请,进行学术演讲和交流。