段鑲鋒：不忘報國初心 助力納米材料科研發(fā)展

文／本刊記者 王 郁

材料技術(shù)的發(fā)展左右著人類的生活水平。如今，納米材料科學的進步能使人類在綠色環(huán)保的同時更加絢麗多彩，讓人類的衣食住行更加舒適便捷。世界各國都非常重視材料學的研究發(fā)展。國際涌現(xiàn)了大批偉大的材料科學家，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校終身教授、湖南大學特聘教授段鑲鋒就是其中佼佼者之一。

提起段鑲鋒教授，業(yè)內(nèi)向來喜歡將他和妻子黃昱稱為納米界的“神雕俠侶”。緣分自有天定，兩人是科大師兄妹，后又一起到美國哈佛深造。早在攻讀博士期間，他們就通力合作，雙雙在《Science》和《Nature》發(fā)表多篇與半導體納米線器件有關(guān)的研究成果。

不忘初心方得始終。縱觀國際形式，我國的材料制造業(yè)與美國相比處于總體上的弱勢地位。于是，段鑲鋒在2013年決定回國，為祖國的納米材料科學發(fā)展盡一份力。秉承一顆赤子之心，段鑲鋒教授回國時，就在心里定下了一個目標：“希望能夠把這里（湖南）的科研和青年人才培養(yǎng)帶動起來。”

在幾年的努力下，段鑲鋒教授接連在湖南大學取得了突破。去年5月，段鑲鋒以通訊作者的身份在Science上公布了關(guān)于納米材料和儲能領(lǐng)域的重要研究進展。論文的共同第一作者梅琳，同樣為湖南大學化學化工學院的1名博士后。湖南大學是論文第2單位。同年八月，他和湖南大學段曦東作為共同通訊作者在《Science》（《科學》）上公布了二維材料領(lǐng)域的一個重要突破，這是湖南大學歷史上的第一篇具有第一單位和通訊作者單位身份的第一篇NS（國際頂級權(quán)威期刊《Nature》（《自然》），《Science》的簡稱）科學研究論文。在今年段鑲鋒教授又攜手湖南大學接連在Nature上發(fā)了三篇論文，報道了在二維超晶格，逼近肖特基-莫特極限等重要工作。

結(jié)海外累累碩果

在國外，段鑲鋒教授已經(jīng)取得了世人矚目的科研成果。他先后獲得美國哈佛大學化學碩士和物理化學博士學位；2001—2008年在美國Nanosys高科技公司工作，是該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一；2008年起到美國加利福尼亞大學洛杉磯分校任教直至成為終身教授。

因為出色的科研表現(xiàn)，他先后獲得“MRS全美杰出研究生獎”“全美發(fā)明家競賽大獎”“世界百位杰出青年發(fā)明家”等眾多獎勵和榮譽。2001年，他與自己的妻子，現(xiàn)同為美國加州大學洛杉磯分校教授的黃昱合作完成的納米電子領(lǐng)域成果被Science評為2001年世界十大科技進展，并名列榜首；2011年2月10日，湯森路透集團發(fā)布了2000—2010年全球頂尖一百化學家名人堂榜單，段鑲鋒排名全球第41位；而在全球頂尖一百材料學家名人堂榜單中，他排名全球第20位。2013年8月，因為在納米科學領(lǐng)域，特別是石墨烯和光催化作用方面的杰出貢獻，他獲得貝爾比獎章，該獎章極少授予華人科學家，段鑲鋒也成為該獎83年歷史上第3位華人得主。

2001年，段鑲鋒和妻子黃昱合作完成的納米電子領(lǐng)域相關(guān)成果被Science評價為“本年度重大突破”，為電子器件進一步精巧化邁出了一步。在過去的10年中，提高計算機的運行能力主要依賴于把越來越多的電路組裝到芯片上，這意味著電子器件尺寸越來越小，其組裝程序也越來越困難。在該項成果中，他們成功地利用液體流動的動力將無數(shù)的且小到只有十億分之一米的分子線排列成約毫米級的長度，再通過改變液體流動方向，使其互相交錯地排列形成電路和電子器件，這使納米電路的低成本加工成為可能，在電子計算機和電子元件微型化方面顯示出很大的潛力。

從哈佛畢業(yè)以后，段鑲鋒就作為共同創(chuàng)始人之一加盟美國Nanosys高科技公司，成為硅谷中探索前沿產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)業(yè)者一員，致力于開發(fā)出與納米線、量子點等納米材料相關(guān)的各類產(chǎn)品。

作為技術(shù)創(chuàng)始人之一，段鑲鋒在Nanosys工作期間探索和創(chuàng)造了很多納米材料的應用概念，有的概念雖然創(chuàng)新性很好，在商業(yè)化過程中卻遇到極大挑戰(zhàn)，有些最初未必最看好的概念相關(guān)產(chǎn)品卻已成功推向市場。現(xiàn)下新興的量子點電視的核心技術(shù)基本上就起源于這家公司。

時至今日，通過10余年的錘煉和反復總結(jié)，段鑲鋒算是打通了從材料到性能再到功能產(chǎn)品鏈條上的各個環(huán)節(jié)，形成了自己的優(yōu)勢。

樹湖大發(fā)展新風

2013年，段鑲鋒成為湖南大學特聘教授。2013年年底，他依托湖南大學化學化工學院、“化學生物傳感與計量學國家重點實驗室”和湖南大學物理與微電子科學學院“微納光電器件及應用教育部重點實驗室”組建起“微納系統(tǒng)與器件”課題組，旨在納米材料的合成、組裝和表征；先進電子和光子材料與器件；能源利用、轉(zhuǎn)化與存儲；生物醫(yī)學傳感與治療等方向進行一系列具有重大原創(chuàng)性的理論、實驗或工程技術(shù)研究，使研究成果具有國際先進水平。

借助于段鑲鋒教授多年在基礎研究和應用研究各個環(huán)節(jié)都有積累的優(yōu)勢，他所帶領(lǐng)團隊立足前沿和實際功能應用所需進行深度探索，一方面有效地把材料的特性體現(xiàn)在功能上，另一方面還能根據(jù)功能需求去設計材料，然后采用自己發(fā)展的方法去把材料做出來。發(fā)揮特色優(yōu)勢，這幾年，團隊成果顯著。

二維材料如石墨烯、單層和少層硫化鉬（MoS2）、硫化鎢（WS2）等是近年來新開發(fā)出來的材料，具有優(yōu)異電學、光學和力學等性能，在新一代電子和光電子器件方面（如低能耗、低成本柔性顯示器件、新型光電子和量子器件和傳感器件等）有著重要的應用潛力。要挖掘它們更多的應用潛力則需要發(fā)展能精確控制其化學成分和電子結(jié)構(gòu)的可靠的合成方法。

在湖南大學“985”高層次引進人才建設經(jīng)費和化學化工學院的大力支持下，段鑲鋒及其研究團隊通過改進傳統(tǒng)的化學氣相沉積（CVD）裝置，發(fā)展了原位改變氣相反應物技術(shù)，這是獲得橫向異質(zhì)結(jié)的關(guān)鍵。這種原位改變氣相反應物的技術(shù)對制備橫向異質(zhì)結(jié)具有通用性，如研究團隊利用該技術(shù)成功制備出了WS2/WSe2、MoS2/MoSe2等單原子層橫向異質(zhì)結(jié)。在此基礎上，研究團隊利用這些橫向異質(zhì)結(jié)制備了一系列的功能器件，包括P-N結(jié)二極管、光檢測器和反相器等。在相關(guān)領(lǐng)域，國際上還有兩個研究團隊幾乎同時開展了類似的研究。在這場激烈的科研競爭中，湖南大學科研團隊的數(shù)據(jù)最充分，而且詳細示范了其電子和光電子器件應用。論文2014年在網(wǎng)上在線登出后，成為《Nature Nanotechnology》（《自然·納米技術(shù)》）雜志的點擊量最高的文章之一。《Nature Material》（《自然·材料》）和nanotechweb.org網(wǎng)站等多家專業(yè)期刊和媒體也進行了專門報道。2017年，他和湖南大學段曦東作為共同通訊作者在《Science》上發(fā)表的工作則把這個方向推向了一個全新的高度。他們創(chuàng)造性地在生長條件穩(wěn)定化的過程中引入冷的逆向氣流，成功解決了多步生長過程中二維超薄材料的熱穩(wěn)定和可控成核問題。由于每一步的生長都具有高度的可控性，所以這種方法可以制備多種多樣的單原子層異質(zhì)結(jié)、多異質(zhì)結(jié)和超晶格。他們利用該方法制備界面原子級平整的單層異質(zhì)結(jié)（如WS2-WSe2、WS2-MoSe2）、多異質(zhì)結(jié)（如WS2-WSe2-MoS2、WS2-MoSe2-WSe2）和超晶格（如WS2-WSe2-WS2-WSe2-WS2），并證實WS2-WSe2異質(zhì)結(jié)具有良好的p-n結(jié)整流特性。

這種外延生長法可以巧妙地制備出多種多樣的二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)，為進一步研究二維材料的特異性能，實現(xiàn)其應用潛力提供了一個可靠的合成手段，為二維材料領(lǐng)域的進一步基礎研究及功能應用提供了一個堅實的材料平臺。論文發(fā)表后引起了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，為包括《Nature》，《Science》等科學期刊的研究論文廣泛引用。

日常生活中許多產(chǎn)品離不開電池，但電池的充電速度和使用時間往往不甚理想。在儲能（主要指鋰電和超容）領(lǐng)域，充放電電流密度和電源的比能量密度一直是一對不可調(diào)和的矛盾，此消彼長，相生相殺。高功率密度和高能量密度的可充放二次電池電極材料一直是科學界致力研究的關(guān)鍵難點。

為解決這個問題，段鑲鋒帶領(lǐng)美國加州大學洛杉磯分校化學系博士后孫洪濤和湖南大學博士后梅琳等人共同在Science上發(fā)表《三維多孔石墨烯/Nb2O5復合結(jié)構(gòu)電極材料的高倍率儲能應用》論文。論文報道他們以三維多孔石墨烯/Nb2O5作為負極材料，實驗發(fā)現(xiàn)三維多孔石墨烯可以作為框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)納米電極材料的高負載量裝載，同時其優(yōu)良的導電性能和多級孔結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)快速充放電過程中電子和離子的快速傳遞，功率密度接近超級電容器，而該電極材料在特定條件下能量密度能夠接近普通二次電池的能量密度；同時電池在大倍率電流循環(huán)10000次后，容量衰減僅為10%，遠高于普通鋰電池的循環(huán)壽命和倍率性能。除了壽命長、循環(huán)穩(wěn)定、快速充放電等優(yōu)勢，所制備的電極材料負載量實現(xiàn)了與工業(yè)水平相持平。成果為未來研制充電速度快且續(xù)航能力強的電池邁出重要一步。段鑲鋒認為，納米材料科研大有作為。將納米材料在燃料電池轉(zhuǎn)化與存儲上的成果應用于新能源電動汽車；將信息產(chǎn)業(yè)幾十年發(fā)展的技術(shù)應用到生物檢測、疾病診斷等領(lǐng)域，服務于健康產(chǎn)業(yè)，譬如研究一種可穿戴的電子材料薄膜產(chǎn)品，它可以顯示脈搏的波形、血糖的數(shù)值等，從而幫助疾病患者實時監(jiān)控健康狀況。展望未來，段鑲鋒教授希望納米技術(shù)能在實際應用中能造福更多的人，給我國社會、經(jīng)濟的發(fā)展增添強勁的動力。