劉碧錄專訪｜看TBSI學科帶頭人有著怎樣的學術思考？

近日，材料人網聯合清華—伯克利深圳學院(TBSI)采訪了低維材料與器件實驗室研究員、博士生導師劉碧錄老師。劉碧錄老師長期從事碳納米管和二維半導體材料的控制生長、生長機理及其納電子器件、薄膜電子器件、光電器件和能源器件應用等相關研究工作。作為低維材料與器件實驗室學科帶頭人之一，劉老師對自己科研方向，團隊以及學術環境有著怎樣的思考呢？

材料人：清華—伯克利深圳學院(TBSI)作為清華國際校區的重要組成獲得了廣泛的關注，您作為TBSI的PI能否介紹一下您所在的實驗室以及實驗室的研究方向？

劉老師：我們低維材料與器件實驗室成立于2016年6月，目前團隊有三名PI，包括成會明院士（實驗室主任）、鄒小龍研究員（青年千人）和我，以及研究生、工程師等近20名成員。我們實驗室的研究方向是低維材料，主要包括一維碳納米管，二維石墨烯、氮化硼、過渡金屬硫化物等的可控制備及其在電子，光電以及能源等多方面的應用。

材料人：您能否介紹一下您未來的研究方向以及低維半導體材料的最新研究成果？

劉老師：最近幾年來我們在碳納米管的手性控制、高質量WSe2等二維半導體的控制生長、新型二維材料如黑砷磷的探索、以及低維半導體材料及其異質結構在納電子器件、薄膜電子器件、光電器件等領域的應用方向做了很多有意思的工作。如我們最近發明了一種可以實現二維材料的快速、高效、高產率剝離的新方法。幫助我們獲得了大面積、高質量的多種二維材料薄片，實現二維材料異質結構的快速組裝。相較于目前已經報道的方法，我們的新方法兼顧了高樣品產量和產率、低成本和高質量等多方面的優勢。

我現在的工作重心是二維材料異質結構的設計、可控制備及其器件應用，包括二維與零維、二維與一維、二維與二維、二維與三維異質結構（我們統稱為2D/xD異質結構）。不同維度材料的組裝不僅有望實現材料性能上的取長補短解決現實應用問題，而且伴隨而來的新的物理化學現象也會是有趣的科學問題。比如目前報道的一些金屬納米線在二維材料表面定向生長，量子點和二維材料復合在表面電荷轉移方面的機理研究以及光電和電催化上的應用等等。因此我個人感覺這是一個非常有前景的大方向。此外，對于實驗室的發展而言，這個方向不僅可以與我之前在低維材料制備和器件組裝方面的工作積累有機結合，并且有了進一步的升華。通過2D/xD異質結構的研究，我們希望能夠發展出表征材料性質的新方法；通過材料設計和制備，進一步構建異質結構高性能電子器件、光電子器件，并研究異質結構在能源與催化領域的應用。

材料人：您能否分享一下低維材料在電子器件，光電器件以及能源器件上應用的一些想法，比如他們的優劣以及亟待解決的問題有哪些？

劉老師：從智能手機到超級計算機，電子器件在我們的生活中無處不在。目前的電子元件主要是硅基以及III-V族的半導體，為了實現產品的便捷化，器件的集成度也會提升。但目前由于材料等的限制器件集成度很難再遵循摩爾定律發展，新材料的發現，制備和應用勢在必行。以二維材料為例，單層的過渡金屬硫化物是具有直接帶隙，可以用來制備場效應晶體管以及各種傳感器，同時二維材料良好的機械性能是器件具有柔性，這一點是傳統硅基材料無法比擬的。但是二維材料的應用仍存在一些現實問題，比如大規模可控的制備方法，以及相應的表征和加工方法。相比于已經很成熟的硅基半導體制備技術，低維材料的探索還是剛剛起步，但是不可否認的是低維材料的優異的性能符合未來社會對材料和器件發展的要求。

材料人：您最驕傲的科研成果是什么？

劉老師：我希望最驕傲的科研成果將是我們的下一個成果！就目前而言，我覺得我們在如下兩個方向上的工作很有特色。第一個是碳納米管的手性控制和生長機理研究。手性控制是碳納米管領域多年的難題，也是實現其電子器件應用必須解決的問題。以前學者普遍認為鐵族金屬催化劑是僅有的可以生長單壁碳納米管的催化劑，我們和溫州大學黃少銘課題組于2009年年初分別獨立報道了非金屬催化劑生長單壁碳納米管的方法。在此方法中，我們發現除了鐵族金屬外，非金屬二氧化硅也可以生長單壁碳納米管，并且進一步提出了碳管生長的新機理：即氣—固—固生長機理，這些工作使我們重新審視碳管的生長機理。沿著非金屬催化劑、氣—固—固生長機理這些新認知，這些年我們又開發了一系列新型催化劑，如CoPt合金催化劑、碳管種子、富勒烯種子等，在一定程度上實現了碳管的手性控制生長。這里面尤其值得一提的是以碳管自身為“種子”的氣相外延生長方法，我們可以得到單一手性純度在90%以上的單壁碳納米管樣品，包括（7，6）、（6，5）、（6，6）等手性。最近北京大學張錦課題組、北京大學李彥課題組等利用高熔點催化劑，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這一領域內的“圣杯”問題最終攻克。

第二個是在二維半導體方面，我們在其控制生長、生長機理和器件應用方面做了很系統的工作，有望推動其器件應用。在這里我想重點提一下黑砷磷的工作。二維材料種類眾多，各自具有不同的性質。從電學性質的角度看，二維材料包括半金屬石墨烯、半導體（如過渡金屬硫族化合物等）、絕緣體六方氮化硼等。目前大部分二維半導體材料的能隙處于可見光波段。2014年，復旦大學張遠波課題組和中國科大陳仙輝課題組等將黑磷引入二維材料研究領域，銜接了紅外（0.3 eV）至可見光波段的這一空白。我們于2015年引入了另外一種二維材料，黑砷磷，并通過調節材料成分實現了材料能隙的調控，進一步將二維材料的能隙調節至長波長紅外波段（LWIR，0.15 eV）。如此一來，二維材料基本實現了從零能隙到紫外波段的全波譜覆蓋，這為下一步構建全二維材料和二維材料異質結構器件奠定了材料基礎。同時，由于黑砷磷的能隙為0.15 eV （對應~8微米），因此它有望在激光雷達、環境檢測、夜視成像等方面具有重要應用前景，這也是我們目前正在開展的研究方向之一。

材料人：我們注意到您回國前曾在美國南加州大學任職，您能否說說國內外科研的不同點？這對國內的科研工作有何啟示？對您的學術研究思路有怎樣的影響？

劉老師：我2012年5月至2016年5月之間在南加州大學電子工程系工作，剛開始是Postdoctoral Research Associate,后來是Research Assistant Professor。在此期間與南加州大學周崇武教授和美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology）Zheng Ming博士一起合作研究，2016年6月通過千人計劃（青年項目）的資助回國工作。

我個人的感覺是中國在過去十年之間從科研大環境、科研經費、實驗室硬件、科研論文的質與量等方面都有巨大的進步。我們在科研經費和實驗室硬件方面已經和國外知名大學沒有多大區別，很多時候其實是更好。這幾年中國發表的高水平、高影響力論文也在逐年穩步上升，在國內舉辦的高水平學術會議也越來越多，學術氛圍也非常活躍。

總體而言，我覺得盡管我們綜合科研實力與美國這樣的強國相比還有比較大的差距，還有許多值得改進和提高的地方，但我們也要看到中國的加速度很大、進步很快。我覺得我們的研究生同學和科研人員要有信心，一步一步、踏踏實實地解決每個具體問題、做好自己的事情，首先營造良好的小環境，每一個小環境好了，整個大環境自然就更好了。我們科研的實力也就大幅提升了。

【人物介紹】

劉碧錄研究員為國家“青年千人計劃”入選者，目前擔任清華大學-伯克利深圳學院低維材料與器件實驗室研究員、博士生導師。主要研究方向是低維半導體材料的可控制備及其器件應用，在碳納米管的手性控制制備、二維原子晶體的控制制備、低維半導體材料生長機理、低維半導體材料在電子、光電、傳感、能源等研究領域取得了一系列原創性成果。迄今共發表學術論文58篇，其中影響因子大于12的論文28篇。論文引用6300余次（Google Scholar），多篇論文被選為ESI高引用論文，H因子為35。入選中組部“青年千人計劃”（2016年）、被科學出版社聘為《低維材料與器件》叢書編委（2016年），并獲得“中國科學院院長特別獎”（2012年）、國際知名雜志Carbon頒發的“Excellence in Review Award”（2013年）、“GUCAS-BHP獎”（2010年）、“深圳市海外高層次人才” B類（2017年）等榮譽與獎勵。

本文由材料牛編輯張瑩編輯整理，感謝清華大學任潔同學的幫助與支持。

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