TBSI 精品课程系列（二）材料化学:你所不知的美丽世界

本期TBSI（清华伯克利深圳学院） 精品课程系列带领大家走进材料化学学科。材料化学是一门新兴的交叉学科，属于现代材料科学、化学和化工领域的重要分支，是发展众多高科技领域的基础和先导。在新材料的发现和合成，纳米材料制备和修饰工艺的发展以及表征方法的革新等领域，材料化学作出了的独到贡献。材料化学在原子和分子水准上设计新材料的战略意义有着广阔应用前景。TBSI为学生们提供高质量的材料化学课程，满足学生对纳米材料等新型低维材料的探索、设计及制备。带领TBSI的同学们走进材料化学的美丽世界！

精品课程：材料化学

 Materials Chemistry

讲师：刘碧录

课程背景

      本课程从化学元素角度切入，介绍分子和固体的成键方式及晶体结构、电子结构、固体化学，以期望能从原理上理解决定物质与材料性质的关键因素。此外，本课程将介绍纳米材料的常见合成方法，并以碳纳米管和二维原子晶体的制备前沿研究为实例，学习并加深理解纳米材料的制备方法，并安排学生操作或参观纳米材料制备设备（2课时）、参加研讨会（2-4课时）。

课程设计

材料化学将提供有关如何理解各种材料的基本性质的知识，并讲授如何合成材料并重点关注纳米材料。通过这门课程，学生有望在材料设计和材料准备方面获得良好的理解。 学生还将有机会练习合成新颖的低维材料，包括碳纳米管，石墨烯和其他二维晶体。

学生评价

“刘老师的《材料化学》课程是我最喜欢的材料课程之一。刘老师本人是制备碳纳米管和过渡金属硫化物的专家，对材料制备与表征有丰富的经验，讲课时经常会结合自己的实验经历进行分析，给人感觉非常亲近，让我们感受到材料化学在科研中的实际应用。课程生动有趣，吸引了很多非本专业的同学参加，学完之后获益良多。”——TBSI 2015级博士生宋厚甫

“刘老师的《材料化学》综合了材料制备、表征、性能方面的知识，同时在课程中加入丰富的背景知识以及前沿的科研课题，并和我们积极互动，鼓励我们开放性讨论和自我表达、自我展示，对我们自身的研究具有很大启发。”——TBSI 2017级博士生赵露

“刘老师长期工作在科研第一线，以自己的实际经历，向我们讲授“材料化学”课程。他的讲解深入浅出，严肃但不失风趣，在课程中我不仅学习到了丰富的知识，更重要的是感受到了一位优秀青年科学家对科学的热爱和他对严谨务实的人生态度，使我受益良多。”——TBSI 2017级硕士生张弛

“刘老师的材料化学课程深入浅出。内容涵盖了最基本的材料化学化学基础知识，也包括最前沿的科研成果。更可贵的是，这门课程给了我们学生一次很好的机会，使我们“被迫”去了解一个新的领域，根据自己的兴趣，通过文献调研去深入了解一个领域的发展历程与面临的挑战。同时也锻炼提升了我们的语言组织能力与课堂表达能力，使我们受益匪浅！”——TBSI 2017级博士生张思伟

【讲师介绍】

【刘碧录】

刘碧录老师为国家“青年千人计划”入选者，目前担任清华大学-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室研究员、博士生导师。主要研究方向是低维半导体材料的可控制备及其器件应用，在碳纳米管的手性控制制备、二维原子晶体的控制制备、低维半导体材料生长机理、低维半导体材料在电子、光电、传感、能源等研究领域取得了一系列原创性成果。迄今共发表学术论文58篇，其中影响因子大于12的论文28篇。论文引用6300余次（Google Scholar），多篇论文被选为ESI高引用论文，H因子为35。入选中组部“青年千人计划”（2016年）、被科学出版社聘为《低维材料与器件》丛书编委（2016年），并获得“中国科学院院长特别奖”（2012年）、国际知名杂志Carbon颁发的“Excellence in Review Award”（2013年）、“GUCAS-BHP奖”（2010年）、“深圳市海外高层次人才” B类（2017年）等荣誉与奖励。

专访刘碧录老师

Q1：清华—伯克利深圳学院(TBSI)作为清华国际校区的重要组成获得了广泛的关注，您作为TBSI的PI能否介绍一下您所在的实验室以及实验室的研究方向？

刘老师：我们低维材料与器件实验室成立于2016年6月，目前团队有三名PI，包括成会明院士（实验室主任）、邹小龙研究员（青年千人）和我，以及研究生、工程师等近20名成员。我们实验室的研究方向是低维材料，主要包括一维碳纳米管，二维石墨烯、氮化硼、过渡金属硫化物等的可控制备及其在电子，光电以及能源等多方面的应用。

Q2：您能否介绍一下您未来的研究方向以及低维半导体材料的最新研究成果？

刘老师：最近几年来我们在碳纳米管的手性控制、高质量WSe2等二维半导体的控制生长、新型二维材料如黑砷磷的探索、以及低维半导体材料及其异质结构在纳电子器件、薄膜电子器件、光电器件等领域的应用方向做了很多有意思的工作。如我们最近发明了一种可以实现二维材料的快速、高效、高产率剥离的新方法。帮助我们获得了大面积、高质量的多种二维材料薄片，实现二维材料异质结构的快速组装。相较于目前已经报道的方法，我们的新方法兼顾了高样品产量和产率、低成本和高质量等多方面的优势。

我现在的工作重心是二维材料异质结构的设计、可控制备及其器件应用，包括二维与零维、二维与一维、二维与二维、二维与三维异质结构（我们统称为2D/xD异质结构）。不同维度材料的组装不仅有望实现材料性能上的取长补短解决现实应用问题，而且伴随而来的新的物理化学现象也会是有趣的科学问题。

比如目前报道的一些金属纳米线在二维材料表面定向生长，量子点和二维材料复合在表面电荷转移方面的机理研究以及光电和电催化上的应用等等。因此我个人感觉这是一个非常有前景的大方向。此外，对于实验室的发展而言，这个方向不仅可以与我之前在低维材料制备和器件组装方面的工作积累有机结合，并且有了进一步的升华。通过2D/xD异质结构的研究，我们希望能够发展出表征材料性质的新方法；通过材料设计和制备，进一步构建异质结构高性能电子器件、光电子器件，并研究异质结构在能源与催化领域的应用。

Q3：您能否分享一下低维材料在电子器件，光电器件以及能源器件上应用的一些想法，比如他们的优劣以及亟待解决的问题有哪些？

刘老师：从智能手机到超级计算机，电子器件在我们的生活中无处不在。目前的电子元件主要是硅基以及III-V族的半导体，为了实现产品的便捷化，器件的集成度也会提升。但目前由于材料等的限制器件集成度很难再遵循摩尔定律发展，新材料的发现，制备和应用势在必行。以二维材料为例，单层的过渡金属硫化物是具有直接带隙，可以用来制备场效应晶体管以及各种传感器，同时二维材料良好的机械性能是器件具有柔性，这一点是传统硅基材料无法比拟的。

但是二维材料的应用仍存在一些现实问题，比如大规模可控的制备方法，以及相应的表征和加工方法。相比于已经很成熟的硅基半导体制备技术，低维材料的探索还是刚刚起步，但是不可否认的是低维材料的优异的性能符合未来社会对材料和器件发展的要求。

Q4：您最骄傲的科研成果是什么？

刘老师：我希望最骄傲的科研成果将是我们的下一个成果！就目前而言，我觉得我们在如下两个方向上的工作很有特色。第一个是碳纳米管的手性控制和生长机理研究。手性控制是碳纳米管领域多年的难题，也是实现其电子器件应用必须解决的问题。以前学者普遍认为铁族金属催化剂是仅有的可以生长单壁碳纳米管的催化剂，我们和温州大学黄少铭课题组于2009年年初分别独立报道了非金属催化剂生长单壁碳纳米管的方法。在此方法中，我们发现除了铁族金属外，非金属二氧化硅也可以生长单壁碳纳米管，并且进一步提出了碳管生长的新机理：即气—固—固生长机理，这些工作使我们重新审视碳管的生长机理。

沿着非金属催化剂、气—固—固生长机理这些新认知，这些年我们又开发了一系列新型催化剂，如CoPt合金催化剂、碳管种子、富勒烯种子等，在一定程度上实现了碳管的手性控制生长。这里面尤其值得一提的是以碳管自身为“种子”的气相外延生长方法，我们可以得到单一手性纯度在90%以上的单壁碳纳米管样品，包括（7，6）、（6，5）、（6，6）等手性。最近北京大学张锦课题组、北京大学李彦课题组等利用高熔点催化剂，在碳管的手性控制方面都取得了重大突破，大家一起有望把碳管手性控制这一领域内的“圣杯”问题最终攻克。

第二个是在二维半导体方面，我们在其控制生长、生长机理和器件应用方面做了很系统的工作，有望推动其器件应用。在这里我想重点提一下黑砷磷的工作。二维材料种类众多，各自具有不同的性质。从电学性质的角度看，二维材料包括半金属石墨烯、半导体（如过渡金属硫族化合物等）、绝缘体六方氮化硼等。目前大部分二维半导体材料的能隙处于可见光波段。2014年，复旦大学张远波课题组和中国科大陈仙辉课题组等将黑磷引入二维材料研究领域，衔接了红外（0.3 eV）至可见光波段的这一空白。我们于2015年引入了另外一种二维材料，黑砷磷，并通过调节材料成分实现了材料能隙的调控，进一步将二维材料的能隙调节至长波长红外波段（LWIR，0.15 eV）。如此一来，二维材料基本实现了从零能隙到紫外波段的全波谱覆盖，这为下一步构建全二维材料和二维材料异质结构器件奠定了材料基础。同时，由于黑砷磷的能隙为0.15 eV （对应~8微米），因此它有望在激光雷达、环境检测、夜视成像等方面具有重要应用前景，这也是我们目前正在开展的研究方向之一。

Q5：我们注意到您回国前曾在美国南加州大学任职，您能否说说国内外科研的不同点？这对国内的科研工作有何启示？对您的学术研究思路有怎样的影响？

刘老师：我2012年5月至2016年5月之间在南加州大学电子工程系工作，刚开始是Postdoctoral Research Associate,后来是Research Assistant Professor。在此期间与南加州大学周崇武教授和美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）Zheng Ming博士一起合作研究，2016年6月通过千人计划（青年项目）的资助回国工作。

我个人的感觉是中国在过去十年之间从科研大环境、科研经费、实验室硬件、科研论文的质与量等方面都有巨大的进步。我们在科研经费和实验室硬件方面已经和国外知名大学没有多大区别，很多时候其实是更好。这几年中国发表的高水平、高影响力论文也在逐年稳步上升，在国内举办的高水平学术会议也越来越多，学术氛围也非常活跃。

总体而言，我觉得尽管我们综合科研实力与美国这样的强国相比还有比较大的差距，还有许多值得改进和提高的地方，但我们也要看到中国的加速度很大、进步很快。我觉得我们的研究生同学和科研人员要有信心，一步一步、踏踏实实地解决每个具体问题、做好自己的事情，首先营造良好的小环境，每一个小环境好了，整个大环境自然就更好了。我们科研的实力也就大幅提升了。

TBSI作为一所高水平的特色学院，背靠清华和伯克利两大顶级学府的TBSI师资队伍也是超级豪华。

目前TBSI共有全职教师15名，预计今年将达到22位。此外，还有兼聘教师47人。教师队伍中包括中国科学院院士1人、中国工程院院士4人、美国国家工程院院士2人、新西兰皇家科学院院士1人、千人计划人才（含青年千人）11人、教育部长江学者8人、国家杰青8人、国家优青2人、深圳市海外高层次人才8人、深圳市高层次人才3人，高层次人才比例高达100%。

未来，TBSI的师资队伍有30位来自清华大学，30位来自伯克利加州大学，另外将在全球范围选聘60-70位最优质的师资。同时，TBSI还邀请工业界导师加入，并与腾讯、大疆、比亚迪、中兴通讯等高新企业成立产业顾问委员会，开展产学研合作。

本文转载自“清华伯克利深圳学院”公众号

编辑：韦菲菲