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樹立創新旗幟 推進全國科技創新中心建設

2019-01-11 14:50:51|來源:科技日報|編輯:薛維萌 |責編:韓東林

可控合成出的分支碳奈米管和鐵填充碳奈米管

在液態銅上首次發現了大面積的石墨烯

  改革開放四十年,我國經濟取得了全球矚目的成績,我國科技的發展也被烙上了鮮明的時代烙印。在不斷求真探索的過程中,“科學家精神”薪火相傳。老一輩科學家們見證了改革開放,青年科技工作者們在改革開放的背景下茁壯成長。

  新時代,我國科技的發展日新月異,在不少領域已實現從“跟跑”到“並跑”“領跑”的轉變。圍繞提升自主創新能力,北京市科委近年來不斷強化政策引導,把創新作為引領發展的第一動力,助力搭建高水準科技創新平臺、培育世界級創新人才和團隊,加快建設具有全球影響力的科技創新中心。

  在2017年的北京市科學技術獎獲獎項目中涌現出了一批老科學家牽頭,青年科技工作者擔當主力,聚焦基礎科學研究、服務國家重大戰略、拓展技術應用領域、帶動相關產業發展的獲獎成果。本期,我們為您介紹其中的兩個代表項目。

  突破物理極限,探索未來科技的新材料

  14年前,英國曼徹斯特大學的兩位物理學家,安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶剝離法成功地從石墨中剝離出石墨烯,僅在六年之後的2010年,二人就憑此獲得諾貝爾物理學獎。

  此後,全球科研人員對這種神奇的新材料進行了不懈探索。據統計,我國目前有近5000家企業宣稱涉足石墨烯業務,全國各地成立了40多家石墨烯研究院、石墨烯產業聯盟和研發中心。相關學術研究也出現了“井噴”, 截至2017年底,我國發表的石墨烯相關學術論文數量躍居世界第一,總數近6萬篇;截至2018年3月,全球石墨烯專利申請總數為63630件,我國佔比54.14%。

  “我國石墨烯行業良莠不齊,雖然產品數目眾多,但其中一些僅僅是概念,規模小,附加值不高。真正能體現出石墨烯的優異性能、不可或缺的拳頭產品尚在探索中。”中國科學院院士、發展中國家科學院院士劉雲圻說。

  產量低、品質不高、成本居高不下等問題,一直制約著石墨烯進一步產業化。“基礎研究還是需要進一步做紮實、做透”。在他的帶領下,其課題組對於高品質石墨烯的製備和電子學性能進行了深入研究,開拓了石墨烯可控生長的新概念和新方法,其成果“低維奈米碳材料的可控生長及其電學性能研究”獲得2017年度北京市科學技術獎一等獎。

  最有可能取代硅的下一代新材料

  近半個世紀以來,以硅材料為基礎的微電子工業發展迅猛,積體電路的整合度不斷提高,每隔18—24個月,積體電路上的元器件數目便會增加一倍,性能也將提升一倍。但是,硅積體電路的器件尺寸日益逼近其物理極限,亟須開發新型電子材料,突破微電子技術發展的瓶頸。

  “以石墨烯為代表的碳奈米材料是最有可能替代硅材料的下一代電子器件材料。”劉雲圻表示,這是一種技術含量非常高、應用潛力非常廣的新材料,具備高載流子遷移率、高載流子濃度、高導電性、高強度等一系列優勢,為人類開啟了從“硅時代”邁向“碳時代”大門的可能。

  “厚度是髮絲的萬分之一,卻比鑽石還堅硬”,劉雲圻講到,石墨烯的品質是相同體積鋼的六分之一,但硬度要比鋼材堅硬一百倍。此外,它還具有很高的透明性,單層石墨烯的透明度已經能夠達到97.7%。石墨烯的載流子遷移率是硅的一百倍左右,且具有很好的導熱性能,是銅的十倍。

  “既能做電極,又能做半導體、絕緣體。”對於石墨烯的未來,劉雲圻充滿期待。他說,因為尺寸小,石墨烯在單位面積上可製備更多的器件,這大幅度提高了積體電路的整合度,能大幅增加晶片的容量。基於其優異性能,石墨烯在半導體產業、光伏產業、鋰離子電池、航太、新一代螢幕等傳統領域和新能源、新材料等新興領域,都將帶來革命性的技術進步。

  始於偶然的科學發現

  石墨烯是由一種單層碳原子層構成的蜂窩狀晶格二維原子晶體。但目前市場上很多所謂的“石墨烯”良莠不齊,不少是由石墨片來代替的。“石墨烯是單層、少數層的,十層以上就沒有什麼特殊性能了,而石墨片都是多層的。” 劉雲圻告訴記者,石墨烯最重要的指標就是大面積、單晶、單層。

  為了達到如此“苛刻”的標準,劉雲圻課題組多次在製備工藝上進行更新升級,但一直沒能達到預期。某次實驗中,他們在臨近銅催化劑熔點的溫度進行了石墨烯的生長實驗,由於溫度控制的微小誤差,固態銅變成了液體。“我們驚喜地發現,當銅變成液體後,竟然能夠更好地發揮催化劑的作用!”這樣的發現,進一步激發了他們探究的熱情。之後,課題組對液態金屬催化體系進行了深入、細緻的研究。他們發現,液態催化劑不僅能夠消除固態表面的不均勻性和晶界對石墨烯成核生長的影響,大幅提高石墨烯的製備品質;而且因其流動性,更便於石墨烯的組裝與大面積生長。此外還能有效控制石墨烯化學氣相沉積(CVD)生長的成核過程,極大提高石墨烯的生長速度,從而奠定其在電器件中大規模應用的材料基礎。“很多科學發現都是來源於偶然。我們要做的,就是不放棄任何一個‘偶然’,並從中探求未知的‘必然’規律。”劉雲圻很是興奮,他告訴記者,他們希望做出單層、單晶的石墨烯,不斷提升其品質和純度。而基於其課題組的研究,未來高品質石墨烯的量產指日可待。

  利用在金屬催化劑表面生長的石墨烯製備器件,往往需要面臨後續的轉移過程,在此過程中,石墨烯表面將產生大量的雜質、褶皺以及破損等。如果可以在絕緣基底表面直接生長石墨烯,或能有效地避免這一不利情況,並且還會大大簡化石墨烯器件的加工製備過程。

  然而,在絕緣基底上生長的石墨烯由於催化活性低,製備出來通常晶疇較小且品質不高。課題組再次向未知出發,提出了氧輔助化學氣相沉積方法,並實現了在介電層上石墨烯的直接生長。通過基底預處理來增加氧懸鍵的數量,加強碳的沉積,從而直接在二氧化硅介電層或石英玻璃基底上製備了高品質石墨烯。通過優化生長參數,課題組目前已經在SiO2/Si的表面生長出了10微米的石墨烯單晶。劉雲圻告訴記者,單晶石墨烯陣列能保留單個單晶石墨烯片的優秀電學性能,無缺陷和無晶界,易構築高性能的器件陣列和製備電路,不需要複雜的加工工藝。而在這個技術的催化下,能夠直接與硅電子學的加工工藝實現相容,這些都為石墨烯器件的直接構築奠定了基礎。

  調控性能,不斷拓展石墨烯的應用領域

  與此同時,劉雲圻一直在思考,如何進一步拓展石墨烯的應用。要實現石墨烯在微電子器件中的應用,還需打開帶隙和實現載流子極性的調控。“不僅要有P型半導體,還需要有N型半導體”,劉雲圻講到,只有研製出N型半導體,才能夠拓展石墨烯在二極體和邏輯電路中的應用,而摻雜是實現該目標的最有效手段之一。他們在實驗上率先製備了氮摻雜的石墨烯樣品,發明瞭高濃度氮摻雜的石墨烯單晶低溫生長技術,實現了石墨烯電學性能的有效調控,獲得了空氣中穩定的N-型氮摻雜石墨烯單晶材料。

  電極材料和界面修飾材料,是石墨烯的另一個應用領域。課題組同期開展了“石墨烯修飾金屬電極的界面工程”研究,採用圖案化的金屬層為催化劑實現了石墨烯的圖案化生長和金屬電極的有效修飾,率先將石墨烯應用於有機場效應電晶體(OFET)器件中,為高性能、低成本有機場效應電晶體的製備提供了有效途徑。

  所有這一切應用的前提是實現石墨烯的大規模可控製備。為解決這一問題,劉雲圻課題組開發了一種模板CVD生長石墨烯奈米帶的方法,採用ZnS奈米帶為催化劑和模板,實現了石墨烯的形貌控制和大規模製備,得到規整結構的石墨烯帶。“基於石墨烯帶的奈米機電開關器件顯示出良好的開關性能,開關比達104—108。” 劉雲圻說,該結果對實現石墨烯的最終應用具有重要價值。

  目前,其課題組已獲授權發明專利19項。“基礎研究是起點,同時我們也非常關注應用技術和成果轉化。”劉雲圻表示,創新從來沒有終點,與產業的真正融合,將成為石墨烯產業發展的強勁動力。

  在新材料探索中,見證中國科技進步

  作為共和國同齡人,劉雲圻的成長伴隨著整個新中國的發展壯大。他見證了我國由弱變強,更見證了改革開放之後科技的迅猛騰飛。從最初的碳奈米管到後來的石墨烯,探索的一路,劉雲圻感受到國家對科技的關注與支援力度不斷加強,也感受到中國這些年來國際話語權的不斷提升。“目前石墨烯的製備和產品的國際標準,有許多都是中國科學家制定或參與制定的。”劉雲圻非常自豪。

  國家政策的轉變讓青年時期的劉雲圻獲得了“自願報名,群眾推薦”的機會,告別了知青生活,進入南京大學讀書。大學畢業後他被分配到中科院,帶著滿腔抱負投入到科研工作中去,幾年後被中科院選派到日本繼續深造。在此過程中,劉雲圻認識到我們與發達國家的差距,更加激發了他投身科研,報效祖國的熱情和決心。

  改革開放之後,劉雲圻在參加高效聚丙烯催化劑和芳綸紡絲研究工作時,分別獲中科院重大科學成果獎兩項和院科技成果二等獎一項。1994年,他又獲得中科院自然科學二等獎。劉雲圻逐漸在自己所研究的分子材料與器件領域成為頂級專家,為國內分子材料與器件領域從國際上籍籍無名到接軌領先水準做出重要貢獻。其間,曾有國外科研機構想留住他,但他堅決不為所動。他的心願就是,把智慧和心血奉獻給眼前的事業,以科研成果回報國家。

  如今,我國的石墨烯基礎研究和產業化研發工作已經與國際先進水準接軌,處於全球第一方陣,尤其在產業化方面居於領先地位,劉雲圻充滿了欣慰。針對多年以來困擾低維奈米碳材料發展和影響其邁向產業化的關鍵科學問題,其課題組的研究已經持續了十多年的時間。在實驗室工作期間,劉雲圻始終堅持7:30開始工作,不到23:00不離開的習慣。近年來即便已經臨近古稀,仍然堅持21:30左右離開實驗室。“除了出去開會,不論週六週日,還是國家法定假日,在辦公室內總能看到劉老師的身影。”原課題組成員于貴告訴記者,劉雲圻每天都關注國內外最新的研究進展,和同學們探討科學創新的方法。“劉老師非常敬業,鼓勵自由的學術討論,科研上精益求精,不論為人還是做科研都非常謙遜。”于貴說,這種幾十年如一日,孜孜不倦、勇攀高峰的精神讓大家深受感染。

  如今,劉雲圻門下的不少學生已經成長為學科帶頭人。“比如于貴、胡文平、佔肖衛和孫艷明,均已榮獲‘國家傑青’;獲中科院百人計劃、科技部‘萬人計劃’領軍人才、‘國家優青’等的學生則更多一些。”劉雲圻如數家珍。“長江後浪推前浪,希望學生們都能比我更優秀,出更多的成果。”這是作為老師的劉雲圻的熱切期待。

  “工作要有原創性、要對學科有發展、有比較重大的國際影響”是劉雲圻一直以來對於自己的要求。讓他更加欣慰的是,看到當前國家從戰略上重視石墨烯,並不斷給予積極的扶持,政產學研協力推進。“國家現在對科研人員的政策不斷改進,對基礎研究更加重視,青年人比我們年輕時候有了更好的科研條件、更寬鬆的科研氛圍、更充足的經費保障……”他希望,未來能有更多的年輕人從事這個領域的研究,共同為我國科技的發展不斷探索新的材料。(錢 力)

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