WILEY人物访谈——北京航空航天大学杜轶教授

编者按

量子力学和凝聚态物理学的建立极大地扩展了人类对材料的认知。自石墨烯被发现以来,新型低维量子材料迎来了新的研究热潮。北京航空航天大学杜轶教授一直致力于利用分子束外延法生长新型低维量子材料,并通过原位分析手段对量子材料的电子结构和物性进行研究。对于材料物性的深入理解使得他们的研究团队在开发光电催化和能源转换材料方面更加得心应手。本期WILEY人物访谈我们邀请杜轶教授与读者分享他的科研心得与人生经验。

人物简介

杜轶,教授,博士生导师,北京航空航天大学材料科学与工程学院本科(2004年),理学院硕士(2007年),澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong,UOW)工商管理认证学位(2010年)和材料学博士学位(2011年)。2014年起担任澳大利亚伍伦贡大学扫描隧道显微镜研究团队负责人、北航-伍伦贡联合研究中心副主任。先后入选包括UOW Vice-Chancellor’s Research Fellowship、Australian Research Council (ARC)Future Fellowship,国家高水平人才引进计划等人才计划项目。目前在物理学院物理系工作并组建表面物理与量子物质研究团队,主要研究兴趣为在原子尺度设计并研究新型低维量子材料的生长、物性和新奇量子效应;室温液态金属智能响应材料的设计与开发;光电催化及能源转换的表面热力学和动力学原子/分子尺度原位研究,发表 SCI 论文 230 余篇(包括 Science, Sci. Adv., Nat. Energy, Nat. Commun., Phys. Rev. Lett., Adv. Mater., Nano Lett., Adv. Energy. Mater., ACS Nano等),引用 7300 余次,h-index为 47,并获授权专利3项(截至2021年10月)。 曾承担包括国家自然科学基金面上项目、澳大利亚ARC发现项目、澳大利亚ARC工业合作项目、澳大利亚ARC重大仪器项目等国家级项目10余项。目前承担科学技术部国家重大研究计划战略性国际合作重点项目 1 项、国家自然科学基金委员会面上项目 2 项、北京市自然科学基金委员会重点项目 1 项。

科研访谈

MVC:请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作?

杜轶(DY: 我们课题组主要的工作包括:

  • 在原子尺度设计并研究新型低维量子材料的生长、物性和新奇量子效应,包括二维烯(2D Xene)[硅烯(silicene)、锗烯(germanene)、锡烯(stanene)] 等新型的二维量子材料。我们曾在这些材料里实现了具有Kagome、Lieb、SSH等多种异奇晶格,并且实现了包括拓扑电子平带、狄拉克节线、高阶拓扑态等量子物态。
  • 室温液态金属智能响应材料的设计与开发。我们团队利用液态金属基微纳结构及其低维复合材料的设计和制备,实现了突破传统金属功能材料在大尺度变形、可自修复等应用需求上的瓶颈,实现了液态金属在光、电、磁、电化学场下的智能响应特性,成功将液态金属微纳复合微纳材料应用于包括新能源、电子、信息、超导和医学等领域。
  • 光电催化及能源转换的表面热力学和动力学原子/分子尺度原位研究,建立催化剂表面的电子结构与催化活性的构效规律,在原子/分子尺度原位揭示包括氧化物、二维半导体催化剂、MOF等典型催化剂表面催化活性和稳定性的根源。

我们课题组主要研究手段为分子束外延沉积(MBE)、低温扫描隧道显微镜(STM)/扫描隧道谱(STS)、针尖增强型拉曼(TERS)、角分辨光电子能谱(ARPES)、球差矫正透射电镜(ac-TEM)等。

MVC:近年来,您在二维量子材料取得了丰硕的研究成果,最近的一项研究锗烯(Germanene)纳米片用于钠离子电池阳极材料,请您为读者分享一下这项工作。

DY: 锗作为离子电池的电极材料本身就具有快速充放电的优势,但是长期受限于其较差的稳定性。对于钠离子电池而言,钠离子相对较大的离子半径(0.98 Å)导致其不能很好的插入锗单质中。另外,脱嵌钠过程中锗阳极的巨大体积变化也会导致材料粉化,使得容量迅速衰减。锗的二维烯类物质,即锗烯,有较高表面积、稳定的力学性能、高电子迁移率的特点,并且层状结构允许钠离子以层间插层的方式进行充放电,因此直觉上我们就可以想到其用在钠离子电池中会有较好的性能和稳定性。当然这些认知是基于我们前期在二维硅烯、锗烯和锡烯等一系列二维烯材料的制备和物性研究中的知识累积。早在2017年,我们就曾经预测过二维硅烯,这种新奇的层状硅材料在锂离子电子中的潜在应用,利用较大的层间间距和稳定的二维结构,可以实现锂离子的有效插层的同时避免电极体积膨胀的瓶颈问题(Advanced Materials 29, 1606716)。这次在Small Structures上的锗烯电极其实是我们前面这个工作的延续和拓展。在多年理论和实验相结合的工作中,我们已经证明了二维烯体系在储能领域的应用前景。

MVC:您在Wiley旗下的期刊上发表了多篇论文,哪篇论文让您最为欣赏?为什么?

DY在以通讯作者和共同作者在Wiley旗下期刊发表的40余篇论文中,我最欣赏的文章主要包括两篇:一篇是Silicene: A Promising Anode for Lithium‐Ion Batteries (Advanced Materials 29, 1606716)在这个工作中我们讨论和预测了硅烯这一种新奇的层状硅材料在锂离子电子中的潜在应用。二维烯的层间耦合作用是范德华力,层与层之间提供了可供离子插入的空间,确保在充放电过程中二维金属烯的结构不被破坏,从而避免了传统硅、锗等电极材料在充放电过程中电极体积膨胀的难题。利用二维金属烯制作的负极材料的稳定性和循环次数都可以得到五倍以上的提高。相比于石墨,多层二维金属烯的晶格常数更大,其理论容量可以达到石墨的三倍。令人高兴的是,这个工作是基于我们扎实的前期研究基础而给出的预测,并很快被电池研究领域的同行们验证,体现了基础研究与应用研究的有效融合。

另外一篇是General Programmable Growth of Hybrid Core–Shell Nanostructures with Liquid Metal Nanodroplets (Advanced Materials 33, 2008024)。在这个工作中我们开发了一种利用液态金属纳米液滴开发复合核-壳结构的策略,实现了包括Mo、Mn、V、W、Cu、Ni等多种金属氧化物在液态金属液滴表面的成核生长,可控制备了一系列微纳异质液滴,并应用于具有光谱选择性的光电传感器。此外,利用此方法还构筑了液态金属/铁磁材料柔性异质结构,首次赋予液态金属材料的力学性质随磁场响应特性,实现了具有力磁耦合的金属流体复合材料,为磁控智能力学器件和金属磁流变器件提供了必要的物质基础。

MVC:您在分子束外延(MBE)法制备二维量子材料领域耕耘多年,在衬底的选择上有没有一定的规律?您认为利用MBE法制备二维量子材料的难点是什么?

DY衬底表面结构(晶格对称性、大小、表面重构等)、表面化学活性和热学稳定性等都会对二维材料有影响。在MBE生长二维材料过程中,应该注意衬底表面结构以及二维材料与衬底之间的相互作用,这对生长高质量的二维材料是非常重要的。目前我们做的二维烯的工作中,发现生长大面积的、与衬底相互作用弱的样品还是具有很大难度的,这主要是由二维烯本身结构不稳定的性质造成的。

MVC:在伍伦贡多年的海外工作和学习经历为您的科研工作带来了什么影响?

DY自2008年起,我在澳大利亚伍伦贡大学 (University of Wollongong) 度过了我学术生涯的最重要的几个阶段,包括博士和博士后的学习阶段,以及副教授和学科方向带头人的工作阶段。

2008年2月,我加入了伍伦贡大学由窦士学院士创建和领导的超导与电子材料研究所(ISEM)。在博士生阶段,我受到了严格的训练,自己的创新思维能力和动手能力都有了很大的提高,为后来的科研工作奠定了极为重要的基础,并让我受益终身。此外,ISEM一直以尊重自由探索作为最高的学术理念,尊重每一个人的研究自由,科学氛围非常好。当然ISEM的自由探索是建立在研究所中老师们对前沿和颠覆性方向的正确把握上的。研究所的国际化交流环境是必不可少的。ISEM强调合作共赢,会不定期邀请不同背景的学者来进行交流,形成了具有前沿引领和交叉融合的ISEM特色。我也在现在的团队建设中引入了ISEM这些成功经验。

MVC:在您的人生经历中对您影响较大的人是谁(们)?

DY能被包括在这个问题答案中的人有很多。有太多人对我产生了极重要的影响。我是一个很幸运的人,人生中碰到的每个人都在用各种方式对我进行正面积极的影响,包括我的家人们、老师们、朋友们、同事们还有学生们。特别是我的硕士导师王天民教授、郝维昌教授,感谢他们引我进入学术研究,并一直强调“先做人、再做学问”。我的博士导师窦士学院士、王晓临教授、程振祥教授提供了非常适合我的培养模式,让我的思辨和创新能力有了极大提高,并支撑了我的研究工作。尤其是窦士学院士和刘化鹍院士夫妇“学为人师,行为世范”的伟大精神成为我永远追求的目标。

MVC:您在选择研究生的时候有什么标准?对有志从事科学研究的同学们有什么建议?

DY首先要对科研有兴趣有热情,对未知世界有好奇不畏惧。此外需要聪明、努力、刻苦和认真。这些是我选择研究生的一般标准。对于有志从事科学研究的同学应该在具有扎实的知识储备基础上保持对世界的好奇心和探索心,尊重自己的兴趣,要敢于发问,不畏惧权威,这样才能做出好的研究。

MVC:科研工作之余,您如何平衡生活和工作?您最大的爱好是什么?

DY科研对我而言既是我的兴趣爱好,也是我的工作,当然也是我生活的一部分。我家人一直很尊重我的“科研兴趣”,所以我可以很好平衡“科研生活“和”科研工作”。其他的爱好有滑雪、旅游和做饭。