集“五院院士”于一身的神級人物，了解一下！

近期關于Charles M. Lieber教授被起訴，涉嫌隱瞞其在中國參與的研究項目和研究經費的事件不僅成為了熱搜，還進一步加劇了中美兩國在科技領域的競爭，并對科學界產生消極影響。而就在不久Charles M. Lieber教授剛剛榮升為五院院士。無獨有偶，我國的黃維院士也是這樣的神級人物。

科學是神圣的、純粹的，不應該被其他因素所玷污。而院士是國家所設立的科學技術方面的最高學術稱號，作為科研工作者，獲得院士稱號無疑是從事的研究、實踐和教育工作都做出卓越貢獻的人士。每個國家院士的選取工作不近相同，但評選要求都格外嚴格，在這種情況下，集“五院院士”于一身的神級人物Charles M.?Lieber院士、黃維院士的研究我們怎么能錯過欣賞一下。

Charles M.?Lieber

國際著名納米科學家，化學領域全球頂尖化學家。美國藝術與科學院院士、美國國家科學院院士、中國科學院外籍院士、美國國家醫學院院士、美國國家工程院院士。其中楊培東 、戴宏杰、張忠菊、段鑲鋒、崔屹等優秀的華人科學家都曾是他的學生。在Nature（9篇）、Science（10篇）等國際頂尖期刊上已發表論文500余篇，在納米科學技術領域的研究工作在國際上有著重要的開拓和領軍作用，其中論文共被他引100000余次，h-index高達147。2001-2010年全球頂尖一百科學家榜單中，Charles M. Lieber名列第一。

研究領域：

原子力顯微鏡、隧道掃描電鏡對納米材料的研究，

納米線可控合成，

納米線自組裝，

納米材料生物應用（目前集中在納米生物電子學、腦科學等）

主要貢獻

國際上最早開始納米線的研究，開創性的建立了多種合成及控制一維納米結構的方法；

開創性地通過微流控方法實現了納米材料的大規模自組裝，該工作被science評為當年的科研重大突破之一；

開創了多種納米材料的合成和物理性質表征，發展了納米線的分級組裝方法，并將這些材料在納米電子學、納米計算、生物化學傳感器、神經生物學和納光子學等領域作了示范性的應用；

近期工作進展

超尺度Ge/Si核殼納米線中一維空穴氣體的高透明接觸

半導體-超導體混合系統在新興的高性能納米電子和量子器件方面具有突出的潛力。然而，他們成功應用的關鍵是制造高質量和可再生的半導體-超導體界面。在這里，法國格勒諾布爾高等學院Olivier Buisson教授聯合Charles M. Lieber教授等人實現并測量了軸向具有原子精確界面的Al-Ge-Al納米線異質結構，由超薄外延Si層包裹，進一步表示為Al-Ge/Si- AI納米線異質結構。該異質結構是由單晶Ge/Si核殼納米線和鋁的熱誘導交換反應合成的。應用這種異質結構，使自對準準一維晶體鋁引線接觸超尺度Ge/Si片的接觸透明度大于96%。集成到后置門控場效應器件和超越平版印刷限制的持續擴展，能夠充分利用Ge-Si界面上的1D孔氣體的高度透明接點的潛力，這導致了對彈道輸運以及量子限制效應的觀察。低溫測量揭示了Ge/Si核殼納米線的近似誘導超導性，約瑟夫森場效應晶體管的實現能夠研究由多次安德烈夫反射引起的子隙結構。最重要的是，量子點體系的缺失表明，從高度透明的接觸到一維空穴氣體，存在著一個硬的超導缺口，這可能對Majorana零模式的研究很有意義。利用異結構形成技術，可以為量子計算的關鍵部件如量子門或透射量子比特的發展做出貢獻。相關研究以“Highly Transparent Contacts to the 1D Hole Gas in Ultrascaled Ge/Si Core/Shell Nanowires”為題目，發表在ACS NANO上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acsnano.9b06809

圖1軸向Al-Ge-Al NW異質結構示意圖及SEM、STEM圖像

用于細胞內記錄的可伸縮的超細三維納米線晶體管探針

細胞內電生理學的新工具，在降低侵入性的同時，突破了時空分辨率的限制，可以對組織中的電原細胞及其網絡提供更深入的了解，并推動人類與機器的界面的進展。盡管在開發用于細胞內探針的納米設備方面取得了重大進展，但目前的方法在設備可伸縮性和記錄振幅之間存在權衡。Charles M. Lieber教授等人通過結合確定形狀控制的納米線轉移和空間定義的半導體到金屬的轉換來解決這一難題，從而實現可伸縮的納米線場效應晶體管探針陣列，具有可控的尖端幾何形狀和傳感器大小，能夠記錄來自主要神經元的高達100 mV的細胞內動作電位。對神經元和心肌細胞的系統研究表明，控制設備的曲率和傳感器的大小是實現細胞內高振幅記錄的關鍵。此外，這種設備的設計允許從單個細胞和細胞網絡的多路記錄，并可能在未來研究動態的大腦和其他組織。相關研究以“Scalable ultrasmall three-dimensional nanowire transistor probes for intracellular recording”為題目，發表在Nature?Nanotechnology上。

文獻鏈接：DOI:?10.1038/s41565-019-0478-y

圖2?超細U-NWFET探針作為電生理學的一種新方法

仿生類神經元電子

作為功能性生物材料的重要應用，神經探針為研究大腦做出了重要貢獻。盡管前幾代探針與其神經元靶標在結構和機械方面存在差異，導致神經元丟失，神經炎性反應和測量不穩定，但生物啟發和仿生策略已開始應用于神經探針的開發。哈佛大學的Charles M. Lieber等人介紹了一種針對神經探針的生物啟發性設計-類神經元電子（NeuE）-其中的關鍵構件模擬了神經元的亞細胞結構特征和機械特性。植入的NeuE-腦接口的完整三維映射突出了NeuE和神經元的結構不可區分性和緊密的互穿性。時間依賴性的組織學和電生理學研究進一步揭示了植入后不久與神經元和神經膠質網絡的結構和功能穩定的接口，從而為下一代腦機接口提供了機會。NeuE亞細胞結構特征顯示出促進內源性神經祖細胞的遷移，從而有望成為無移植再生醫學的電活性平臺。相關研究以“Bioinspired neuron-like electronics”為題目，發表在Nature?Materials

文獻鏈接：10.1038/s41563-019-0292-9

圖3?Neue的設計與表征，以及其神經界面的三維映射

Ge/Si納米線中形成的柵極調諧空穴電荷量子與微波光子的耦合

可控和一致的光物質界面是可擴展量子信息處理器的基本要素。在各種電子量子點系統中已經實現了與內腔的強耦合，但在空穴系統中很少進行探索。在這里，Charles M. Lieber教授演示了一種混合結構，包括微波傳輸線、可控耦合到Ge/Si納米線(NW)中的空穴電荷量子位的諧振器。這種天然的一維空穴氣體，具有很強的自旋-軌道相互作用(SOI)，并且缺乏核自旋散射，可能使電子方式快速自旋操作和長相干時間成為可能。電荷量子位建立在一個由局部電門定義的雙量子點上。量子位躍遷能獨立調諧電化學電位差和隧道相鄰點之間的耦合,打開橫向(σx)和縱向(σz)自由度量子位操作和交互。當量子位元能量掃過光子能級時，與諧振器的耦合就會被打開和關閉，這是由諧振器透射光譜檢測到的。這一結果為今后Ge/Si納米線中相干空穴-光子相互作用的研究提供了啟示。相關研究以“Gate Tunable Hole Charge Qubit Formed in a Ge/Si Nanowire Double Quantum Dot Coupled to Microwave Photons”為題目，發表在Nano?Letters上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04343

圖4?納米線-諧振器混合裝置

可注射電子器件的一維和二維網狀設計

獨特的結構和機械性能的注射器網狀電子技術，使無縫組織整合和穩定的長期記錄同一神經元的活動。在這里，哈佛大學Charles M. Lieber等報告了一系列結構和機械網狀電子設計變化的研究，這些變化允許使用比先前報道的至少小4倍的針進行注射，以最小化減少電子在軟物質和組織中的注射足跡。新型超柔韌性二維（2D）和一維（1D）探針的特性表明，可通過內徑小至100μm的針頭以可減小的注射量，實現可重復注射的網狀電子設計。體外水凝膠和體內小鼠大腦研究表明，經過縮小直徑的針頭移植后，超彈性2D和1D探針在注射后仍保持其結構完整性和構象。此外，對注射后網格橫截面變化的分析表明，隨著針徑的減小，組織的變形和松弛程度減小。通過更小直徑的針頭，可以實現網狀電子探針的合理設計，這一能力將為基礎和轉化研究中電子與組織和軟物質的整合開辟新的機會。相關研究以“Advanced One- and Two-Dimensional Mesh Designs for InjectableElectronics”為題目，發表在Nano?Letters上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01727

圖5?分析和制造先進的網狀電子設計

黃維

中國科學院院士、俄羅斯科學院外籍院士、亞太材料科學院院士、東盟工程與技術科學院外籍院士、巴基斯坦科學院院士，我國有機電子學科和柔性電子學科的奠基人與開拓者，在構建有機光電子學科的理論體系框架、實現有機半導體的高性能化與多功能化、推進科技成果轉化與戰略性新興產業方面做了大量富有開拓性、創新性和系統性的研究工作。在Nature、Nature Materials、Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society等SCI學術期刊發表研究論文千余篇，H因子為117，同行引用逾60000余次。

研究領域：

有機光電、納米光電、生物電子、先進能源材料與器件

主要貢獻：

培養了包括4名中國教育部“長江學者”特聘教授、5名中國國家“杰出青年科學基金獲得者”、5名中國“973”首席科學家、4名中國國家“優秀青年科學基金獲得者”和12名中國教育部“新世紀優秀人才”等

金屬有機半導體的結構設計、性能調控與光電應用”項目榮獲2018年度國家自然科學獎二等獎

基于“高效鈣鈦礦發光器件研究”項目入選2016年度“中國高等學校十大科技進展”

基于?“有機半導體的設計原理、高效制備與光電器件”項目獲2014年度國家自然科學獎二等獎。

近期工作進展

高效穩定層狀鈣鈦礦太陽能電池

與傳統的三維（3D）鹵化物鈣鈦礦太陽能電池材料相比，二維Ruddlesden–Popper（2DRP）層狀鈣鈦礦具有更好的光穩定性和環境穩定性。然而，對于體積龐大的烷基化合物與2DRP鈣鈦礦骨架之間的相互作用，仍存在一些基本問題。黃維院士團隊、陳永華教授等人實驗研究和理論模擬相結合，通過創新性地引入一種含S原子的有機胺，通過S元素之間的相互作用實現層間相互作用有效調控，探究了其對2DRP層狀鈣鈦礦薄膜結晶動力學、穩定性、以及電荷傳輸特性的影響規律，構建了高效穩定的2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池。該電池具有18.06%高功率轉換效率，同時具有1512h的耐濕性(70%濕度條件下), 375h(85°C)的熱穩定性和連續光應力下的穩定性。相關研究以“Efficient and stable Ruddlesden-Popper perovskite solar cell with tailored interlayer molecular interaction”為題目，發表在Nature?Photonics上。

文獻鏈接：DOI: 10.1038/S41566-019-0572-6

圖6?2DRP鈣鈦礦的晶體結構和DFT計算

鈣鈦礦二極管實現雙向光信號傳輸

將光信號的產生和接收集成到一個設備中，從而允許在兩個相同的設備之間進行雙向光信號傳輸，這對于開發小型化和集成的光電子設備是有價值的。然而，傳統的可溶解可加工半導體有其固有的材料和設計限制，使其無法用于制造高性能的半導體器件。瑞典林雪平大學高峰、深圳大學張文靜和黃維院士等人報道了一種能夠同時在發光和檢測模式下工作的溶液處理鈣鈦礦基二極管。該器件可以通過改變偏置方向在不同模式之間切換，并且它顯示出光發射，外部量子效率超過21%，兩種功能的運行速度都可以達到幾十兆赫。得益于鈣鈦礦的小斯托克斯位移，我們的二極管在峰值發射(約804nm)時表現出高的比靈敏度(大于2×10¹²?Jones)，這使得兩個相同的二極管之間可以進行光信號交換。為了說明雙功能二極管的潛力，它可以用來創建一個單片脈沖傳感器和雙向光通信系統。相關研究以“Bidirectional optical signal transmission between two identical devices using perovskite diodes”為題目，發表在Nature?Electronics?上。

文獻鏈接：DOI: 10.1038/s41928-020-0382-3

圖7?雙功能鈣鈦礦二極管用作發光和檢測設備的原理圖

金屬夾層氣凝膠混合材料使智能傳感器具有柔韌性和延展性

隨著柔性應變傳感器在人機界面、軟式機器人、醫療監護等領域的快速發展，柔性應變傳感器得到了廣泛的研究。黃維教授等人報道了一種新的金屬氣凝膠混合材料的原位催化策略，它是由氮化釩(VN)納米片與具有良好定義的垂直排列的碳納米管陣列組合而成(VN/CNTs)。在這種結構中，以二維VN納米片為主要骨結構的柔性器件在重復變形過程中具有良好的結構相容性。此外，夾層氣凝膠雜化體形成高導電性的三維網絡，對應變響應行為具有突出的敏感性。此外,基于VN/CNTs的柔性應變傳感器，在10%的小應變范圍內，其測量系數高達386，響應速度快，且具有非凡的耐久性。另外，介紹了物理信號的監測和基于傳感器的實時人機控制系統。相關研究以“Metallic Sandwiched-Aerogel Hybrids Enabling Flexible and Stretchable Intelligent Sensor”為題目，發表在Naono?Letters上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/ACS.NANOLETT.0C00372

圖8?VN/CNTs應變傳感器在手指運動檢測中的應用

局域電子為超快電化學儲能增強離子傳輸

電化學儲能的速率決定過程在很大程度上是由電極材料中的離子輸運決定的。離子遷移率的提高除了縮短離子擴散距離外，對離子遷移率的提高也起著至關重要的作用。黃維教授團隊聯合新加坡國立大學Xiaogang Liu教授通過理論計算和分析表明，固有缺陷可以引起高度局域電子，離子的遷移勢壘明顯減小。提出了一種局域電子增強離子輸運機制，以促進超快儲能的離子遷移率。實驗結果一致表明，這一機制使Li/Na離子擴散率提高了兩個數量級。在10 mg cm^?2的高質量負載和10 C的高速率下，可獲得高達190 mAh g^?1的可逆能量存儲能力，這比同等尺寸的商業晶體可達到的存儲能力大10倍。相關研究以“Localized Electrons Enhanced Ion Transport for Ultrafast Electrochemical Energy Storage”為題目，發表在AM上。

文獻鏈接：DOI:?10.1002/ADMA.201905578

圖9增強離子輸運的力學解釋

一種多組分共聚物的超長有機室溫磷光

顯示可調發射和長壽命發光的功能材料近年來已成為信息加密、有機電子和生物電子領域的有力工具。在此，我們提出了一種設計策略，通過自由基多組分交聯共聚來實現聚合物中的超長有機室溫磷光(UOP)。實驗表明，在環境條件下，通過改變激發波長從254到370 nm，這些聚合物顯示出從藍色到黃色的多色發光，壽命長1.2 s，最大磷光量子產率為37.5%。此外，還探討了基于UOP的這些聚合物在基于顏色可調的多級信息加密中的應用。這一策略為開發多色生物標簽和在室溫下長壽命發光的智能發光材料奠定了基礎。相關研究以“Color-tunable ultralong organic room temperature phosphorescence from a multicomponent copolymer”為題目，發表在Nature?Communications上。

文獻鏈接：DOI: 10.1038/s41467-020-14792-1

圖10?顏色可調UOP多組分共聚物

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