​​​深圳市二维材料孔雀团​​​​​​​​
黑磷还有极大的探索空间,将为光电技术带来无限可能

编者按:

二维黑磷自被发现起便备受关注,甚至被科学家视为硅的理想替代材料。近年来,黑磷逐渐在电学、光学、生物医学等多个领域都展现出巨大的应用潜力。

深圳市黑磷光电技术工程实验室主任、深圳大学特聘教授张晗是国内黑磷最早的研发者之一。2015年,他率先探索出了针对黑磷的液相制备新方法,并首次利用黑磷实现了光纤激光器的锁模;2016年他首次探索到黑磷可在生物医学领域上发挥重要作用;今年3月,他与合作团队成功制备出基于黑磷的光声成像造影剂,引起热议。

从非线性光学到光电器件研究,从石墨烯到黑磷,从激光技术到纳米生物光子学,敏锐的科研直觉让他始终走在业界前沿;科研之外,作为导师他有着自己的独到心得。国激光特邀张晗教授与大家分享他的科研历程与教研感悟。


超级材料——黑磷

黑磷是磷单质在常压下最稳定的一种同素异形体,它的晶体结构早在1935年就通过X射线衍射的方法确定。黑磷和石墨烯具有类似性质,单层的黑磷不仅具有媲美石墨烯的导电能力,而且存在石墨烯没有的能隙。

在半导体中,有能隙的存在,半导体吸收了足够的能量才会呈现出另一种状态,即在半导体元件中可以表示 0 和 1。显示器、处理器中的硅基半导体正因为具备这一特点才能得到广泛的应用。能隙还对材料的光电特性有影响,包括光的吸收、发射和调制,半导体材料的光学性能主要依赖于能隙的大小。由于黑磷存在可通过调整在硅基板上堆叠的黑磷层数来控制的能隙,故被视为一种新的超级材料。

黑磷 (图片来自百度百科)

黑磷可以和光直接耦合,并且它的能隙范围意味着它可以吸收 0.6 到4.0 μm波长的光,即它可以检测到整个可见光到近红外区域的光谱,这个特性使得黑磷极有可能成为一种优质的光电器件材料。此外,黑磷有着独特的各向异性结构,在电学、光学、生物化学等多个领域都展现出巨大的应用潜力。

黑磷性质优异,制备出高品质二维黑磷的第一步是得到黑磷单晶,但是黑磷难以制备、难以保存近年来,该材料迎来了复兴期,因此摸索出一套成本低、产量高、质量好的黑磷大规模制备方法具有现实意义。我凭借在科学研究上的敏锐直觉,立马抓住时机,在2016年组建了全球首个黑磷工程实验室,并担任深圳市黑磷光电技术工程实验室主任,着手开展黑磷材料的研究。

三年研究,硕果累累

我在新加坡南洋理工大学读博期间从事光纤激光器中非线性光学特性的研究,并于2009年首次在光纤激光器中实现了暗孤子的输出,揭示了新的激光输出状态。但是国际上黑磷研究刚刚起步时,我便认定新型二维材料的用途很广,黑磷性能还有极大的探索空间,它将给人类带来无限可能。

2012年,我选择回国加盟范滇元院士的科研团队,并在深圳大学任教。我的科研团队组建后仅一、二年的时间,就取得了多项引发广泛关注的成果:

率先探索出了针对黑磷的液相制备新方法,揭示了黑磷独特的层数依赖拉曼特性和非线性光学特性,在“薄层黑磷的大批量制备”上获得突破,并利用所制备的黑磷实现了激光的锁模;

开发出一种新型、简易的热蒸发法技术,用于制备钛或碳纳米管支撑的黑磷材料,实现从红磷到黑磷的可控制备并研究其光催化活性(Angewandte Chemi);

基于液相剥离方法制备得到黑磷纳米片,揭示了黑磷纳米材料宽波段可饱和吸收特性(Optics Express),该工作入选了高被引论文和热点论文及2015 年“中国百篇最具影响国际学术论文”;

 实验证明多层黑磷纳米片具备宽带可饱和吸收响应(从可见光到中红外波段)

采用溶剂热方法从黑磷体材料成功制备出横向尺寸约为2 nm的黑磷量子点,将其作为可饱和吸收体用于锁模激光器中,在通信波段产生超短脉冲(Advanced Optical Materials封面文章);

利用黑磷的通信波段非线性光学响应,将少层黑磷涂覆在微纳光纤上,实验了全光信号处理(全光阈值和全光调制)及波长转换和非线性光开关技术,为基于黑磷光通信应用开拓了新的思路(Advanced Optical Materials和ACS Photonics );

基于黑磷材料制备上的创新,研制出快速响应、高灵敏度、抗氧化的黑磷光探测器(Advanced Functional Materials)。

黑磷的研究不过短短3年时间,在这个全新未知的领域就要敢于打破常规,不仅仅局限于材料领域。

国际首次——黑磷应用于生物医学领域

磷是生物体内必需的元素,其在生物医学领域的应用优势也是无可比拟的。最近,我们探索到了黑磷的这一重要作用,相关成果发表在在国际著名刊物Advanced Materials、Nature Communications等,这是关于“黑磷应用于生物医学领域”在国际上的首次发声。 

我们发现黑磷在生物光子学上具备以下独特优势:1)可包载化疗药物,包载量高达980%; 2)高效光动力,可以驱动药物的释放;3)高效光热效应,直接杀死肿瘤/癌细胞;4)具有光声效应,可用于肿瘤活体成像;5)可释放单线态氧,导致肿瘤/癌细胞死亡或凋亡;6)可直接代谢为“磷”元素,没有毒性且半衰期适中。

我们团队在该方向也有着不俗的成绩

在成功制备出的黑磷量子点的基础上,设计了一种核壳纳米球结构,这既保证黑磷量子点在光热反应中的稳定性,又能实现缓慢释放和降解,推动了高效安全的肿瘤光热治疗(Nature Communication);

小鼠注射携带药物的纳米球后不同时间点的体内荧光图像

通过检测黑磷量子点的光学属性和对不同细胞系生存率的影响,发现其展示了优异的近红外光学性能,在近红外激光的照射下能够显著的杀死肿瘤细胞,并且在多种细胞系中均展现出良好的生物相容性(Angewandte Chemi);

二维黑磷纳米薄片较大的表面积比能够为化疗药物分子的大量吸附奠定基础,同时在808 nm激光照射下能够产生局部高热,用于肿瘤的光热治疗和驱动药物释放(Advanced Materials封面论文);

与中科院深圳先进技术研究院喻学锋、王怀雨研究员合作,成功制备出基于黑磷的光声成像造影剂,用于实现高效安全的肿瘤光声成像诊断(Small封面文章)。

 黑磷量子点作为造影剂,获得了小鼠体内肿瘤的光声图像。

科研之外,教书育人

或许在外人看来,科研工作者不过是坐在实验室里摆弄瓶瓶罐罐、捣鼓仪器、在电脑上计算些看不懂的数字符号。对我个人而言,将科研工作提升为一种兴趣爱好,带着快乐的心情去追寻真理,这个过程所带来的满足感和成就感,是一种人生乐趣。

从事科研工作多年,指导学生也有五六年了,对于如何引导学生开展科研、开展跨学科研究以及协调组内与组外合作,我的独到心得是:各抒其长,互帮互带,敢于打破常规。

对研究生来说,正处于科研基础的奠定时期,首先需要学好专业基础知识、过好英语语言关,其次就要多进实验室观摩师兄师姐们做实验,早日进入科研角色。好比学游泳,最好是跳下水再学,空谈游泳理论,不下水永远学不会;

博士期间要通过论文写作关,要想在写作的时候下笔千言,还是得靠论文阅读量的积累。对于该领域的国外经典文献至少读20篇,其中10篇左右需要重复研读和做比较分析,发表在国内一流期刊的文献最好悉数翻阅(一般也在20篇左右)。

阅读文献更需要连贯性,我读博士的时候可以一个月连续阅读不间断,期间还需要分类整理,写出详细的阅读笔记,并独立书写文献述评。

博后阶段科研素养已经形成,会面临平衡导师课题与自己兴趣的难题。博后的研究既要有自己独立的研究方向,也要与导师的专业特长结合起来,才能产生1+1>2的效果;在课题研究过程中,要敢于打破条条框框的束缚,从宏观角度进行把握,对于不太擅长的细节可以由组内的其他人补充,争取取得原始性创新。

 张晗教授在实验室

开放合作,情牵深圳

如果时光回溯到一二百年前,我们会发现那时的很多科学家仅凭一己之力就能做出很多科研成果,我们学到的很多定理就是以他们的名字命名的。由于科学和技术的进步,如今学科的划分更加细致,一个人很难有精力涉及好几个领域。如果想把自己的领域做深做透甚或有些突破,那么相关领域内或者跨学科的科研合作就显得尤为重要。

我的课题组有一位出色的博士后,我将他安排在与他之前专业不同的小组里,一段时间后,通过这种不同学科间思想的碰撞,这个小组取得了很多高水平成绩。所以,我在课题组成员的聘用与组合上不会拘泥于专业,但又看重专业的相通性;尊重个人科研的独立性,但又从方向上进行沟通磋商与宏观把握。按照所做的课题,根据每个成员的知识结构,灵活采取小组合作制。

这几年,我们与剑桥大学、哈佛医学院、瑞典卡琳罗斯卡医学院、新加坡国立大学、新加坡南洋理工大学等高校密切联系,在学术交流、人才培养上取得合作。通过这些交流,学生们屡次获得前往国际知名高校的学习交流机会,并将先进的科学理念和成果带回国内。

我们团队来到深圳大学以后,一直非常渴望能够培养一批优秀的学生,为这座城市的未来发展贡献绵薄之力。因为一个城市的魅力,不仅在于能够吸引人才进来,还在于它可以输出怎样的人才,为这座城市服务。

张晗简介:

        深圳大学光电工程学院特聘教授、博士生导师,首届国家优秀青年科学基金获得者、中组部青年千人计划获得者、教育部新世纪优秀人才获得者、深圳市黑磷光电技术工程实验室主任、深圳市孔雀创新团队负责人、深圳市政协委员等。从事非线性光学与超快激光研究10余年,累计发表SCI 文章170余篇,SCI总引用次数超过7300,H因子为42,两篇论文入选中国百篇最具影响力国际学术论文。担任Photonics Research副主编及Scientific Reports期刊编委。主持基金委国家重点项目、深圳市孔雀创新团队等项目13项。

张晗课题组简介:

       课题组是从国内外各个大学引进到深圳市、深圳大学,重新组建的国际化科研团队。目前,课题组由具有物理、材料、光学甚至医学等多学科背景的博士后、博士与研究生组成。近两年来,在深圳大学范滇元院士领导下,在教育部二维材料光电技术国际联合实验室大力支持下,该课题组在Nature Communications (1篇)、Advanced Materials (2篇)、 Angewandte Chemie (3篇)、Advanced Functional Materials (3篇)、ACS Photonics(3篇)等光电子期刊上共发表30多篇高水平论文,其中十多篇封面论文;两篇论文分别被评为2014年和2015 年“中国百篇最具影响国际学术论文” ;两篇论文入选2015 年物理领域中国作者发表的高被引研究论文 Top 10。