北京科技大学张跃教授团队：天生我“材”必有用

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北京科技大学张跃教授团队：天生我“材”必有用

2019 年 1 月 26 日 材料科学与工程

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2018年度国家科学技术奖励大会于今年1月8日在北京人民大会堂隆重召开。北科大张跃教授团队历经十余年艰苦攻关，完成的“一维氧化锌的界面调控及其应用基础研究”项目荣获了2018年度国家自然科学二等奖。

自2000年以来，张跃教授团队在国内外率先开展一维氧化锌领域的研究，团队围绕这一材料体系开展了系统而深入的研究工作，形成了大量原创性的科学成果，特别是实现了一维氧化锌纳米材料在特种装备上的应用，在国内外低维纳米材料领域声誉斐然。回首这十余年的攻关历程，多少次在科学问题前的唇枪舌剑，多少个在仪器设备前的通宵达旦，多少篇密密麻麻布满修改标记的学生手稿，多少个为了科学理想奋斗前行的老师和学生…… “一定要敲实了！”这是张跃老师常常挂在嘴边的一句话。简短而有力的话语中渗透着他对学术的严谨和对科研的执着，这也正是他科研态度的最好写照。

谈及为何选择一维氧化锌体系开展研究，张跃教授为我们讲起当年的故事。20世纪末，我国在签署《全面禁止核武器条约》后，宣布暂停所有的室外核试验，对室内核模拟研究提出了更高的要求。采用兆伏级高功率感应加速器产生X光闪光照相快速、连续记录室内爆轰过程成为研究和发展新型核应用装备的重要手段。而强流发射冷阴极发射的高能量密度电子束是产生X光射线的核心部件。因此，研发自主知识产权的强流发射冷阴极对我国核能利用、国家安全具有重要价值。本世纪初，原国防科工委提出了研制强流、长寿命、大面积、性能优异的新一代冷阴极的需求。原理上讲，为了产生大的发射电流，冷阴极一般会选择导电性好的材料。因此传统冷阴极选择金属板材、碳毡等材料。但是这些材料随着工作时间增加，温度上升，导电性会急剧下降，从而导致发射电流降低、稳定性差的问题，无法长时间连续工作。

有没有更好的材料体系呢？随着纳米材料研究的深入，国内外多个研究组同时把解决目光集中到了一维纳米材料上，张跃教授另辟蹊径，率先提出了采用宽禁带半导体材料“一维氧化锌”解决这一关键难题。氧化锌是典型的第三代半导体材料，在众多第三代半导体材料中氧化锌具有最高的饱和电子漂移速度、最高击穿场强、最高激子束缚能等优异的电学性能，是构筑高功率器件的理想结构单元。此外，氧化锌是氧化物半导体材料，与氮化硅、氮化镓、碳纳米管等材料相比，抗氧化和烧蚀能力远高于其他材料体系，且合成条件和成本优势明显。

然而，氧化锌有这么多优点，为什么之前却没有在冷阴极方面实现突破呢？张跃教授带领团队深入调研、系统分析，发现最关键的问题还是出在了氧化锌的“氧”上！氧是自然界中最常见的元素，也是材料生长过程中最爱“捣乱”的元素，氧原子的富集、缺失、不均匀分布会导致材料从结构到性能的急剧变化。“擒贼先擒王”，张跃教授团队围绕氧化锌中“氧”的问题重点攻关，在国际上首次提出了金属直接热氧化制备氧化锌纳米结构的方法，采用金属锌自催化生长一维氧化锌纳米结构，这一方法不仅避免了催化剂残留对材料性能的影响，同时将一维氧化锌的合成温度从900℃有效降低到了氧化锌形核温度区间（约700℃），实现了对一维氧化锌纳米材料形核过程的精确控制。该方法得到了来自全球35个国家的100多个研究组采用和推广。通过对一维氧化锌生长过程的精确控制，张跃教授团队发现生长过程中“氧的多少”会直接影响材料生长初期形核结构的复杂程度，并最终影响到材料的形貌和结构。基于此，他们率先提出了控制形核界面诱导生长理论。应用该理论在富氧环境下首次合成出纳米四针氧化锌结构，观测到了该结构的八面体孪晶核，结束了半个多世纪的四针结构生长机理争论；并在特定氧分压条件下获得了大面积、形貌均匀的一维氧化锌纳米线阵列结构。

基于对一维氧化锌形貌和结构的精确控制，张跃教授团队首次研制出直径2英寸的大面积一维氧化锌强流发射冷阴极，实现了强流电子输运界面能带结构的有效调控，提出了一维氧化锌的界面等离子体增强电子发射机制，并最终实现了稳定、均匀的强流发射，发射电流密度高达132.4A/cm2，是原国防科工委需求指标的2.6倍，创造了当时世界最高发射电流密度的记录，性能远优于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室等国际同行单位的同类产品，并最终在中国工程物理研究院开展了高功率感应加速器整机试验。一维氧化锌强流发射冷阴极的成功研制，突破了高场强极端条件下，冷阴极易氧化与烧蚀导致的发射电流低、寿命短的技术瓶颈。提高了核爆记录的精度与分辨率，提升了我国核爆模拟装备研制水平，得到了用户单位的高度评价。