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光催化科技前沿三
發(fā)布時間：2018-08-09 瀏覽量：4632
北京中教金源科技有限公司是一家以實驗儀器研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)。公司自成立以來，與全國各高校研究所建立了長久緊密的合作關(guān)系。研究人員采用中教金源的儀器設(shè)備，做出了許多光催化成果并在學(xué)術(shù)上取得了重大進(jìn)展。
北京理工大學(xué)應(yīng)用中教金源的光解水制氫系統(tǒng)和氙燈光源系統(tǒng)在納米級半導(dǎo)體研究領(lǐng)域取得了巨大成果！
圖中為張加濤教授在實驗室。實驗室的產(chǎn)品是中教金源光解水制氫系統(tǒng)搭配氙燈光源系統(tǒng)，其中光解水制氫系統(tǒng)完成了太陽能光催化分解水制氫體系的能量轉(zhuǎn)化效率與量子產(chǎn)率計算，實現(xiàn)了光催化分解水制氫、光電催化分解水產(chǎn)氫、光催化二氧化碳還原、光催化降解有害氣體。
氙燈光源系統(tǒng)優(yōu)勢特點：
◆屬高光功率全波段光源，波長連續(xù)分布
◆通過切換濾光片選定氙燈光源波長
◆采用進(jìn)口PE氙燈燈泡，軸向散熱模式
◆光催化產(chǎn)氫、降解、首選光源
以下文章內(nèi)容摘自北京理工大學(xué)官方微信！
2017年8月，一篇題為《膠體納米晶的異價摻雜：陽離子交換提供摻雜發(fā)光和摻雜能級調(diào)控新途徑》（ “Heterovalent doping in Colloidal Semiconductor Nanocrystals: Cation Exchange-Enabled New Accesses to Tuning Dopant Luminescence and Electronic Impurities”）的論文，以封面文章的形式，在國際知名物理化學(xué)學(xué)術(shù)期刊《美國物理化學(xué)快報（Journal of Physical Chemistry Letters）》發(fā)表，并受邀以視頻形式在美國化學(xué)會網(wǎng)站進(jìn)行專題報道。
該雜志主動約稿的封面文章，來自北京理工大學(xué)材料學(xué)院張加濤教授團(tuán)隊，也代表了國際業(yè)界對我校在納米級半導(dǎo)體研究領(lǐng)域成果的積極評價。2016年12月22日，《美國物理化學(xué)快報》向北理工張加濤團(tuán)隊發(fā)來一封邀請郵件，邀請為其撰寫一篇展望論文（perspective），以介紹北理工在半導(dǎo)體（II-VI族，III-V族）納米結(jié)構(gòu)中異價摻雜領(lǐng)域的研究成果。
“perspective一般由編輯部邀請撰寫，而非自己投稿，我們的團(tuán)隊之所以能夠為業(yè)界所了解，受到該刊物的邀請，主要是因為我們一直在納米材料與能源化學(xué)領(lǐng)域?qū)Ｗ雽?dǎo)體納米晶的摻雜問題，并進(jìn)行了原創(chuàng)性研究。能夠受邀撰寫perspective，并在雜志的封面發(fā)表，我想這是對北理工在該領(lǐng)域的研究成果，及其在業(yè)內(nèi)的引領(lǐng)作用，較好的肯定。”作為北京理工大學(xué)的首位徐特立特聘教授，張加濤這樣談到。2018年3月，因在無機納米材料化學(xué)領(lǐng)域作出的突出貢獻(xiàn)，張加濤受聘為英國皇家化學(xué)會會士。
用新原理、新方法，
在納米間為半導(dǎo)體“擺弄”雜質(zhì)
半導(dǎo)體之所以能被廣泛應(yīng)用在光電領(lǐng)域中，核心原理就是在其微觀的晶格結(jié)構(gòu)中植入了雜質(zhì)，以改變其電性，實現(xiàn)對光、電、磁等性質(zhì)的調(diào)控，使其能夠應(yīng)用在高效率發(fā)光器件、太陽能電池、自旋電子器件等新型光電、新能源器件中。納米技術(shù)的興起和蓬勃發(fā)展，給予了人們通過直接操縱原子和分子的排布，創(chuàng)造具有全新功能性新物質(zhì)的可能性。因此，當(dāng)半導(dǎo)體材料遇到了納米技術(shù)，就形成了一個前景廣闊的新研究領(lǐng)域——半導(dǎo)體納米材料。半導(dǎo)體納米材料憑借優(yōu)良的光化學(xué)穩(wěn)定性和諸多未知的材料特性，引發(fā)國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注與興趣，迅速成為前沿的科學(xué)研究方向。半導(dǎo)體納米晶材料，或者稱為半導(dǎo)體量子點材料，就是具代表性的半導(dǎo)體納米材料之一。
“我們熟知的硅谷就是各國半導(dǎo)體工業(yè)聚集區(qū)的代名詞，硅就是一種半導(dǎo)體，之所以能夠加工成為電子器材，就是因為在純半導(dǎo)體硅里加入了雜質(zhì)，使其純度下降，并產(chǎn)生發(fā)光、發(fā)電等其他性質(zhì)?！睆埣訚ΨQ自己做的是“1+1＞2”的事?！暗易龅牟皇侵T如硅這種傳統(tǒng)半導(dǎo)體，而是更有難度的II-VI，III-V族半導(dǎo)體納米晶材料?！?/p>
在半導(dǎo)體納米晶材料的研究中，要實現(xiàn)材料的廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵就是要解決納米級的精準(zhǔn)摻雜問題。但是，由于半導(dǎo)體納米晶材料尺寸小，自清潔（或者說自排斥）效應(yīng)使雜質(zhì)在其中很不穩(wěn)定，因此，實現(xiàn)精準(zhǔn)摻雜難度很大。如何使雜質(zhì)在半導(dǎo)體納米材料中穩(wěn)定地發(fā)揮作用，就成為了該領(lǐng)域面臨的一道國際性難題。
張加濤帶領(lǐng)研究團(tuán)隊通過近三年的研究，利用納米化學(xué)方法，通過選擇不同膦配體引發(fā)的被摻雜離子的非晶半導(dǎo)體納米顆粒與主體半導(dǎo)體陽離子之間的離子交換反應(yīng)，調(diào)控其反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)過程，實現(xiàn)被摻雜離子在半導(dǎo)體納米晶（II-VI族等）中的深度位置的異價取代性摻雜，實現(xiàn)了Ag+，Cu+離子等在II-VI族半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)（量子點，納米片，2D薄膜）中的深度取代性摻雜，并且摻雜濃度可控。該研究方法被國際量子點物理等研究領(lǐng)域知名專家所引用，并給予了高度評價。
正是基于這樣的研究突破，張加濤團(tuán)隊實現(xiàn)了II-VI半導(dǎo)體量子點中穩(wěn)定、高效的摻雜發(fā)光（絕對量子產(chǎn)率可達(dá)50%以上，穩(wěn)定1年以上），有效避免了“自清潔”引起的摻雜發(fā)光不穩(wěn)定性；另一方面，利用Ag+，Cu+的異價取代性摻雜，實現(xiàn)了p型，n型II-VI族量子點的制備及摻雜能級調(diào)控。此外，他們還利用原位甲基丙烯酸甲酯配體交換，實現(xiàn)了這些摻雜納米晶在有機玻璃里的宏觀尺寸的均勻分散，進(jìn)一步增大了斯托克斯位移（Stokes位移），達(dá)到0.85eV以上，實現(xiàn)了優(yōu)良的熒光聚集性能。
“我們的研究通俗點說，就是讓雜質(zhì)可控地固定在納米晶內(nèi)部的精準(zhǔn)位置，這對納米半導(dǎo)體材料的意義重大，可以讓雜質(zhì)參與到半導(dǎo)體的能量傳導(dǎo)過程，并且成為不消耗能量的真正‘雜質(zhì)’，從而實現(xiàn)為半導(dǎo)體納米材料加入雜質(zhì)的‘1+1>2’的效果。”張加濤教授通俗地概括了這一成果的成效。
北理工在納米晶材料研究領(lǐng)域取得的研究成果，也得到了國際同行的肯定，相關(guān)研究成果陸續(xù)發(fā)表在頂級SCI期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》《先進(jìn)材料》《NPG亞洲材料》（Nature子刊）以及美國《物理化學(xué)C》雜志上，值得一提的是《Nature》雜志網(wǎng)站還以《量子點：取向連接成納米片》為題對團(tuán)隊的研究做了專題報道。
之后，張加濤團(tuán)隊在異價摻雜納米晶研究的基礎(chǔ)上，又聚焦貴金屬形成金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)納米晶的研究，實現(xiàn)了這一復(fù)合結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步能帶工程調(diào)控，即在納米尺寸上實現(xiàn)了金屬與摻雜半導(dǎo)體的結(jié)合。在取得研究突破的同時，團(tuán)隊還積極從該半導(dǎo)體材料的特性出發(fā)，積極探索其在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用，所形成的研究成果也相繼發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。
“半導(dǎo)體納米材料形成更多種類的異價摻雜后，組裝成膜可以形成PN結(jié)器件，也就是由不同種基材組成的半導(dǎo)體基片，進(jìn)而可以制作成場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管、太陽能電池等，這是我在perspective里提到的展望?！睆埣訚f，“新原理、新方法，之后才會產(chǎn)生新材料。我們做的就是探索前沿的原理和方法，為日后學(xué)界和業(yè)界新材料的制造、應(yīng)用提供指導(dǎo)性意見，說不定還能引發(fā)一場材料界的工業(yè)革命呢！”說起自己的研究，張加濤非常自豪，“做別人沒有的，才是有趣的！”
敢攻關(guān)、敢堅持，
做一流教師，建一流學(xué)科
張加濤對科研工作有著異乎尋常的執(zhí)著，他常對學(xué)生講：“世上無難事，只要肯登攀，攀登科學(xué)技術(shù)高峰，只要敢想敢做、堅持去做、努力去做，一定會有所收獲。”在國外求學(xué)期間，張加濤每天早晨9點進(jìn)入實驗室，晚上11點才離開，這位被稱作“911”先生的張博士每天中午只在實驗室隔壁的小屋子里用半個小時吃飯，之后便又一頭扎進(jìn)實驗室中。正是多年來在納米材料化學(xué)方面的鉆研不輟，他帶著豐富的學(xué)術(shù)研究經(jīng)驗、卓越的研究成果和執(zhí)著的科學(xué)精神，回國后受邀成為北京理工大學(xué)首位徐特立特聘教授。
張加濤所在的研究團(tuán)隊目前有5名教師，均具有海外留學(xué)背景，團(tuán)隊研究生保持在40人左右，其中包括2名留學(xué)生。
近年來，張加濤以第一作者、通訊作者在《自然》《科學(xué)》《德國應(yīng)用化學(xué)》《先進(jìn)材料》《納米快報》等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了40余篇論文，ESI高被引3篇。2013年獲“國家優(yōu)青”資助以來，發(fā)表通訊作者論文40余篇、他引3000余次、單篇他引最高710余次、授權(quán)5件、受邀英文專著4部/章。團(tuán)隊培養(yǎng)博士生曾2次獲得北理工優(yōu)秀博士論文，其中紀(jì)穆為博士的博士論文獲得了第二屆中國材料研究學(xué)會優(yōu)秀博士論文獎。
除了做好一名青年學(xué)者，張加濤把成為一名好老師作為自己的目標(biāo)。張加濤非常關(guān)注學(xué)生們的興趣所在，幫助學(xué)生選擇與前沿領(lǐng)域相關(guān)并符合個人興趣、特點的課題。他十分鼓勵優(yōu)秀的本科生進(jìn)入實驗室，提高動手能力和實驗水平。多閱讀國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)期刊的高水平文章，在學(xué)習(xí)他人經(jīng)驗的同時逐漸培養(yǎng)自己的獨立思考能力，也是他時常的建議。
張加濤鼓勵學(xué)生在科研方面培養(yǎng)創(chuàng)新精神，不錯過靈感閃現(xiàn)的瞬間。“劉健和趙倩都是我的碩士生，他們都相繼獲得了北理工優(yōu)秀畢業(yè)論文，在用離子交換法制備CdS量子點的實驗時，他們發(fā)現(xiàn)本該發(fā)黃色熒光的量子點發(fā)出了紅色熒光，還非常穩(wěn)定。學(xué)生以為實驗操作過程中犯了錯誤，當(dāng)時找我說明情況時還滿帶愧疚之情。但經(jīng)過仔細(xì)地分析表征后，我發(fā)現(xiàn)這并不是實驗操作過程中的錯誤導(dǎo)致，而是一個新的現(xiàn)象，于是我和學(xué)生一起深入研究該現(xiàn)象，得出了異價摻雜所產(chǎn)生的摻雜性能新發(fā)現(xiàn)，并將這一研究成果發(fā)表在了《先進(jìn)材料》雜志上?！?/p>
在張加濤看來，始終瞄準(zhǔn)世界科技前沿，加強基礎(chǔ)研究，在原始創(chuàng)新領(lǐng)域取得世界一流的原創(chuàng)性成果一直是團(tuán)隊努力和堅守的方向。2017年12月18日，張加濤與意大利米蘭比可卡大學(xué)Sergio Brovelli教授合作，在國際納米科技權(quán)威雜志《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotech. 2018, 13, 145）發(fā)表了新研究成果，研究結(jié)果表明通過非磁性雜質(zhì)摻雜而誘導(dǎo)的激發(fā)過程可以獲得光學(xué)可轉(zhuǎn)換的磁性納米半導(dǎo)體材料，實現(xiàn)其光、電、磁學(xué)性能有效調(diào)控，促進(jìn)其在光電自旋器件的應(yīng)用。值得注意的是，該工作的主要實驗工作由意大利米蘭比可卡大學(xué)在讀博士研究生Valerio Pinchetti及北理工材料學(xué)院在讀博士研究生邸秋梅完成，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Scott A. Crooker教授進(jìn)行了磁光性能測試，張加濤及北理工材料學(xué)院分別為共同通訊作者及第二通訊單位。這項成果得益于北理工外國專家引智計劃的支持，也成為學(xué)校推進(jìn)“新材料科學(xué)與技術(shù)”一流學(xué)科建設(shè)國際化的典型范例。
正是因為有一批像張加濤這樣的優(yōu)秀教師，北理工沿著“5+3”的一流學(xué)科建設(shè)之路，步伐堅實地邁向世界一流。在建設(shè)中國特色世界一流大學(xué)的宏偉事業(yè)中，“張加濤們”將在北理工的發(fā)展藍(lán)圖上，在自己的人生畫卷上，寫下一筆筆精彩的篇章。