人物访谈|深圳大学张晗教授

人物访谈

二维材料具有优异的光子特性,如泡利阻塞诱导的饱和吸收、超快的弛豫时间和高度的光学非线性,深圳大学的张晗教授是最早开展“二维材料锁模器件”设计与应用的科学家,引领了“二维材料超快非线性光子器件”的研究工作。本期WILEY人物访谈我们邀请张晗教授为读者分享他的科研工作和人生心得。

人物简介

张晗,男,汉族,1984年12月出生,民盟盟员,博士学历,现任深圳大学特聘教授。主要从事二维材料光电器件与生物光子技术研究,其SCI总他引4万多次,h指数125

曾获英国化学学会会士、美国光学学会会士、科睿唯安高被引科学家(2018-2021)、广东省科技创新领军人才称号、2019年丁颖科技奖、深圳市自然科学奖等。获得2012年国家基金委优青及中组部青年千人、2015年重点项目、2017-2018年面上项目、2019年国际合作与交流项目、2020国家重点研发项目等资助。兼任深圳市民盟副主委、深圳市芯片科技促进会副会长等职务。已累计发表SCI论文350余篇,以第一作者或通讯作者发表SCI一区论文150篇,封面论文30篇,4篇论文入选中国百篇最具影响国际学术论文,PNAS论文入选2018年中国光学十大进展-应用研究类,100篇论文引用过百次,ESI高被引论文70篇。

MVC:请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作。

当前,课题组主要从事二维材料光学特性与生物光学特性方面的研究,具体分为以下几个方面:在国际上首次实现二维材料锁模器件设计与应用,得到了国内外广泛关注、跟踪及引用,被认为“引领‘二维材料超快非线性光子器件’的研究方向”;所从事的“基于二维材料可饱和吸收体的锁模光纤激光器”研究超过十年,取得的成果获得了国际同行的强烈反响;基于黑磷在生物医学上所具备的独特优势,团队结合先进激光技术,交叉协调创新,有望为癌症患者的治疗提供新的思路和视野。该研究的成功临床转化,将加快人类治愈癌症的进程。

MVC:您在二维材料(特别是磷烯、铋烯等)领域发表了大量的工作,最近关于铋烯应用于光动力治疗的工作发表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2021, 2102562),请您为读者分享一下这项工作的灵感来源。铋烯作为光动力治疗剂有何独特的优势?

与其说是灵感,不如说是站在前人的肩膀上进一步探索。我们主要是鉴于纳米异质结构可以促进光致电子-空穴分离并增强活性氧 (ROS) 的产生,并且基于 2D 纳米异质结构的光敏剂在光动力疗法 (PDT) 方面已取得的一系列重大进展为突破口继续攻关,这些工作为克服在缺氧的肿瘤微环境中的局限性奠定了坚实的基础。光电子科学和二维纳米材料技术目前处于多学科研究的前沿,在电子学和光子学中有大量应用。以铋烯为代表的这些纳米材料中独特的能量和光诱导的界面电子转移,通过它们的相对能带排列特性实现,可以为健康医疗领域提供重要的治疗方式。

MVC:您在二维材料领域经营多年,二维材料(特别是MXene和黑磷)的化学稳定性始终限制着其在实际应用中的发展。请您为读者分享一下现阶段提高二维材料化学稳定性的方法,并剖析二维材料面向实际应用所面临的困难与未来的解决方案。

以黑磷为例,目前已有多种方法来提升其化学稳定性。首先,共价功能化是目前成功用于钝化高反应活性的BPNSs的一种非常重要的方法。然而,目前文献中报道的共价功能化方法仅限于通过重氮盐功能化或亲核加成反应形成P-C或P-O-C单键,虽然可以提高BPNSs的稳定性,但是反应后的磷原子为四配位结构,仍然存在一个未配位的单电子,必然制约了其钝化效果。因此,发展新的共价功能化BPNSs的方法从而实现更好的钝化效果是非常必要的。近日,中国科学技术大学杨上峰教授、杨金龙教授、季恒星教授等课题组合作,在少层黑磷的化学功能化及稳定性研究方面取得新进展。其次,台湾国立中央大学Ching-Yuan Su教授等报道了在SiO2/Si衬底上通过旋涂工艺随后超声处理仅对BP薄片进行原位清洁和选择性氟化,这归因于在BP表面形成了P-F共价键。选择性氟化的BP不仅显示出在空气中的稳定性增强,而且还显示了BP FET的电学性能,并且随着BP FET的导通电流增加,载流子迁移率和开/关比显著增强。这一重大发现为制备垂直2D异质结提供了启发,从而可以通过通用2D材料实现高性能和可靠性。这项工作演示了一种新兴的钝化方法,以实现长期稳定性以及出色的电学性能,有望为将2D半导体集成到FET的关键沟道材料中铺平了道路,对于下一代数字逻辑电路非常有利。他们通过叠氮化合物与少层黑磷纳米片反应,成功地实现了五配位共价功能化少层黑磷纳米片,显著地提高了其在水中的稳定性,效果优于文献中报道的其他化学功能化方法。

对二维材料来说,拔除或蚀刻对底层具有高选择性的材料尤其具有挑战性,因为它需要原子级精度,而这只能通过特定的化学反应和专用的原子层蚀刻设备来实现。开发合适工艺生产的过程是冗长乏味的,因为潜在的二维材料及其组合的范围很广。总的来说,蚀刻化学和其他物理过程参数强烈依赖于具体的情况,每个都需要单独的解决方案。掺杂(Doping),即在晶格中替换原子,是硅所需的一项标准且关键的技术,它依赖于统计分布。在二维材料领域,“掺杂”一词通常用来描述从缺陷或其附近的分子吸附物到二维材料层的电荷转移。

精确和长期稳定地控制这种“有效掺杂”也是一个挑战,传统掺杂也是挑战。如硅技术所示,理想情况下,需要以确定方式替换二维晶体原子。解决这些关键的制造瓶颈是二维材料试验试点线的明确目标。二维材料与硅CMOS技术的共同集成将大幅提升芯片功能,并使二维材料应用按照其设备复杂性的顺序出现。

与现有技术相比,二维材料在设备级提供了卓越的性能优势,还可以与硅CMOS技术轻松集成,这使得它们成为硅芯片(也被称为“CMOS + X”)的主要扩展功能的候选者。我们相信,在未来的集成产品中,二维材料将越来越成为一个x因素,具体取决于目标应用的不同,基于二维材料的异构电子技术的瓶颈也将获得突破,达到所需的大规模制造水平。

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?

Wiley出版社出版的大量高品质的文章造就了良好的口碑,我们课题组在Wiley旗下的期刊上发表了多篇代表性论著,有多篇获得同行的一致好评。这里推荐一篇发表在《Advanced Materials》上的题为“Nonlinear photonics using low-dimensional metal-halide perovskites: recent advances and future challenges”的长篇综述。该综述系统总结和对比了具有不同晶体结构(从零维结构到三维结构)的低尺寸维度金属卤化物钙钛矿的三阶和高阶非线性光学性质。更进一步,该综述深入剖析了低尺寸维度金属卤化物钙钛矿的优异非线性光学特性背后的物理机理,详尽阐明了不同内在属性(如结构、组成成分、带隙、尺寸、形状、光谱依赖性等)和外加调制策略(如开发核-壳结构、过渡金属离子掺杂、量子限制在金属有机框架材料的纳米空腔中、与光子晶体形成复合结构、与金属纳米晶体形成复合结构、与介电微球形成复合结构等)对其非线性光学特性的影响规律。在全面和透彻解析低维金属卤化物钙钛矿的非线性光学性质的基础上,该综述系统归纳了他们在非线性光子学领域(如多光子激发激光、频率上转换、超快锁模脉冲激光器等)、非线性光电子学领域(如红外光探测器等)、以及非线性生物光子学领域(如非线性光学成像和诊疗等)的潜在应用的最新研究进展。同时该综述深入探讨了低维金属卤化物钙钛矿在制备方法、稳定性和毒性等方面仍存在的问题,以及详细总结了可能的解决方案。该综述最后展望了基于低维金属卤化物钙钛矿的非线性光子学研究中所面临的挑战和机遇。

MVC:从新加坡到布鲁塞尔,多年的海外学习和工作经历为您的生活和科研工作带来了什么影响?

我始终认为,和我具有类似经历的科研人员绝大多数出去都是为了回来更好地报效祖国。首先,多年的海外科研生活让我对于工作中的抗压能力、多任务处理的能力的提升有很大的帮助。其次,利用海外学习和工作的机会结交来自不同背景的人也会大大地提高你看待、处理事务的眼界和能力。最后,除了在工作技能和人脉方面上的升级,在异国环境下生活的时间不论长短,都会对你语言能力的提升起到很大的作用。语言氛围以及文化氛围的滋养,往往会让语言的学习达到事半功倍的效果。

MVC:在您的人生经历中对您影响较大的人是谁(们)?

一路走来,读书时候自己的导师和工作后身边的同事都给了我前进的动力。他们曾在我的思维认知出现一定的固化、偏差时,一语点醒梦中人,帮助我转变思维,开拓视野,看到更广阔的世界。或者在我失意落魄之时,为你加油打气,指导未来方向,陪你熬过那段黑暗的时光,获得奋勇向上的力量。

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?

标准换成我个人的期望吧。研究生是成年人,要对自己、对所承担的课题、对周围的人(再放大一点对社会)负责任。做研究不是替老师打工,是为自己培养分析问题、提出方案、获取资源、解决问题、总结推广的能力。我带过的学生,有的智力平平,但有责任心、肯动脑子肯吃苦,交代一件事情,就能做得稳妥。有的十分聪明,不懂事,东一下西一下,老师追在屁股后面都不行,不知道要对自己的青春负责,对项目负责。另外,对有志从事科学研究的同学们我提以下几点建议:1.进取。是自己进步,不是把别人拉下水。证明自己比他人强,不是他人比自己弱。科学家也是人,科学史上钩心斗角的案例不少,著名如牛顿不能幸免。但人类的进步,个人的进步,靠的是向上,不是相反;2.承受能力。科研90%是失败,99%是得不到想要的结果,太纤细的神经不适合;3.好奇心。世界很奇妙,科研就是要看看世界为什么这么妙。没有好奇心,勿入此门;4.细心。尤其对试验科学来说。很多时候,认真决定实验的成败。

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?

工作时就全身心投入工作中去,不将工作带到生活中去。明确自己的人生目标。努力工作是为了提高生活品质,更好地生活。因此明确自己的人生目标,确定每个时期的重点。学会生活,放松身心。利用假期给自己的身心放个假。和家人、朋友一起出游。休息时好好休息,不要被工作打扰。

我闲暇之余最大的爱好就是读书,很喜欢著名作家杨绛的一句名言:“读书,正是为了遇见更好的自己。”在我理解,更好的自己就是智慧的自己、优雅的自己、宽仁的自己、知性的自己。