张晗：在二维材料世界绽放异彩

张晗：在二维材料世界绽放异彩

本刊记者 付 强

专家简介：

张晗，国家“青年千人计划”专家，深圳大学特聘教授、博士生导师，深圳市政协委员。入选首届国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”，中组部青年千人计划获得者，教育部“新世纪优秀人才”，基金委重点项目及深圳市孔雀创新团队负责人，深圳黑磷光电技术工程实验室及二维材料与器件重点实验室主任。2011年7月从新加坡南洋理工大学博士研究生毕业，获工学博士学位；2013年至今，在深圳大学光电科技协同创新中心范滇元院士团队工作，在Nature Photonics，Nature Communications（3篇），PRL，Advanced Materials等光电期刊共发表论100余篇，论文总引用超过7600次（google学术搜索）, H因子为42，其中ESI高引用论文20篇，单篇引用超过1000次的论文（1篇），单篇引用超过100次的论文（23篇）。

石墨烯的发现打破了“二维材料无法现实存在”的理论设定，并以优异的性能吸引了全世界研究人员的关注。就在石墨烯不断刷新人们认识的同时，科学家也提出了一个问题：除了石墨烯，是否存在其它同样具有卓越性能的二维材料？随着研究的深入，类石墨烯材料如拓扑绝缘体、二硫化钼、六角氮化硼等相继进入研究人员的视野。在这种大背景下，黑磷重新赢得了科学家们的重视，尽管它已出现了一个多世纪。在刚刚过去的2015年激光领域“十大”技术进展评选中，“基于黑磷的光纤锁模激光器”以绝对的分量名列其中，而这个发明的主要贡献者就是深圳大学特聘教授张晗，由他带领的深圳市孔雀创新团队首次制备出了基于黑磷的光纤锁模激光器，成功获得超短脉冲激光。

亦开拓者 亦引领者

自2014年复旦大学张远波课题组在《自然·纳米科技》杂志上发表了黑磷场效应管研究工作，黑磷作为二维材料开始进入公众视野。黑磷同白磷、红磷共同组成了“磷”家族，不同的是，黑磷是由白磷在高压下加热制得，具有类似石墨的层状网络结构。黑磷拥有诸多类似石墨烯的优异特性，故被誉为可比肩石墨烯的“梦幻材料”。

“首先，黑磷拥有可控调节的能隙，更容易进行光探测；第二，黑磷的能隙可以通过层数来调节，能够吸收从可见光到通讯用红外线范围的波长；第三，黑磷是一种直接能隙半导体，能将电子信号转成光信号。这些都是黑磷区别于石墨烯等二维材料的特异性，也是黑磷的优势所在”，张晗娓娓道来。

很快，张晗也加入了这场开拓行动。在他自己的课题组与深圳先进技术研究院喻学锋研究员课题组的齐心协力下，由课题组成员郭志男博士后等成功摸索出了新型二维材料黑磷的液相制备新方法，并揭示了黑磷独特的层数依赖拉曼特性和光学非线性，相关论文已被材料学领域的权威刊物《先进功能材料》(Adv. Funct. Mater.)进行了封面报道。

完成新材料的制备只是第一步，接下来是打破制约薄层黑磷实现大批量制备的瓶颈。通过无数次的实验与探索，他们终于摸索出了碱性溶液液相剥离黑磷的新方法，实现了黑磷从块材到薄层乃至单层（黑磷烯）的高效剥离和制备，通过该方法制备得到的黑磷可在水等传统溶剂中稳定分散，大大扩展了黑磷的应用范围。

随着研究的不断深入，课题组捕捉到了薄层黑磷具有的拉曼红移现象。他们研究发现黑磷具有宽带可饱和光吸收特性，波长范围可覆盖可见光到中红外波段，“这一特性的发现为中红外超快光学器件的研发创造了可能”。紧接着，课题组成员徐艳华博士又首次研发了基于黑磷及量子点的光纤锁模激光器，得到了超短脉冲激光的输出信号，该发现以封面文章的形式发表在《先进光学材料》(Advanced Optical Materials)，并被Wiley旗下Materials Views China以专题形式进行了报道。

除了在光电领域大放异彩之外，黑磷在生物医学领域的应用前景同样无可限量。张晗与喻学锋研究员、香港城市大学朱剑豪教授等紧密合作，巧妙采用联合探头超声和水浴超声的液态剥离方法，可控制备二维层状黑磷量子点，得到横向尺寸约为2.6纳米的单原子层厚度黑磷量子点。通过检测这种超小的黑磷量子点的光学属性和对不同细胞系生存率的影响，课题组惊喜地发现了其优异的近红外光学性能，在808纳米的光热转换效率达到28.4%，在近红外激光的照射下能够显著杀死肿瘤细胞，并且在多种细胞系中均展现出良好的生物相容性。该工作已被Angew.Chem.Int.Ed.作为封面报道，并被评为热点文章。

作为另一种形式的二维材料，二维层状结构的超小黑磷量子点作为高效光热制剂用于癌症肿瘤治疗拥有巨大的潜力；同时因为磷是生物体内必需的元素，其在生物医学领域的应用具有无可比拟的优势。该联合团队进一步研究发现，黑磷还有望在纳米载药领域大放光彩，相关系列工作即将发表于《自然·通信》及《先进材料》(Adv. Mater.)，这为将来研制出基于黑磷的高效光热/化疗/载药联合治疗体系奠定了理论及实践基础。“深圳组建了全国乃至全球首个黑磷材料的研发及产业化实验室——深圳黑磷光电技术工程实验室，这将有利于深圳在黑磷材料产业的全球竞争中抢占制高点，产业化的关键是将黑磷与高精尖产业相结合，走出实验室，实现工程化与量化，否则相关的研究始终将处于概念化的阶段”，未来，张晗任重而道远。

产业顶天 科研立地

在黑磷的研究上，国内外不仅处于同一起跑线，国内甚至还提前迈出了第一步。但由于西方国家的研究体系相对成熟，他们的研究速度也很快。有数据显示，2015年全世界发表的黑磷相关SCI文章约697篇，其中中国占了194篇，约为1/3，而其余2/3大都集中在美国和新加坡。“我国要想在黑磷研究上赢得先机，除了巩固优势，必须提前布局前沿光电器件，集中精力实现黑磷在光电传感器、探测器、中红外激光等光电领域的突破”，张晗敏锐地觉察到了未来的前景。

“深圳的光电器件产业优势巨大，拥有中兴、华为等众多龙头企业，不但提供唾手可得的材料，更蕴含着巨大的市场潜力，让成果转化水到渠成。这都让我们的研究始终能‘接地气’”，张晗认为，不管研究多么先进，多么超前，只有转化为生产力，才有发展价值。

他相信，科研成果是土壤，是养分，有了它的滋润，相关的产业才能蓬勃生长、枝繁叶茂。如今30岁出头的张晗，年纪不大，却已扎根于二维材料领域潜心研究9年之久。早在2005年，还在武汉大学攻读材料物理学本科的他，就与新材料结缘。2007年，他远赴新加坡南洋理工大学进行激光学方向博士研究，偶然间萌生了要将新材料与光电工程相结合的想法。

“两个看似不相关的学科融合在一起，一定会碰发出不一样的创新火花”。就这样，从碳纳米管到后来“火热”的石墨烯，张晗凭着一股好奇心和探索精神，在这条交叉学科的路上勇往直前。2012年，博士毕业回国，张晗选择了深圳，这一片创新的热土。“相比北京的创业创新环境，深圳更适合年轻人，它可以提供更大的空间供年轻人施展”，同时他也入选了深圳市“孔雀计划”。

在“孔雀计划”团队的申请过程中，曾有评委建议张晗的团队“加快市场转换突破”，但张晗没有选择那样做，他更希望团队能踏踏实实地做好基础研究，以“初生牛犊不怕虎“的勇气啃下这块“硬骨头”。“科学家需要在幕后承担更多的使命，只有夯实了科研之基石，产业大厦才能屹立不倒”，张晗身肩重担，却不辱使命。目前他作为深圳大学的教授、博士生导师，指导了20位博士/博士后的研究，还兼顾硕士班课程。在张晗看来，高等院校数量、水平发展的滞后一直是深圳的一大痛，他希望这份坚守能够带动更多的人才留在高校，以微薄之力推动深圳科研的发展。

对于黑磷未来发展的种种不确定性，张晗信心满满，但同时也保持着一份淡然，“我们要进一步挖掘黑磷的潜力，寻找其不可替代的关键性质，然后再逐步建立和开放更多的应用出口。黑磷是否能够成为下一个‘新材料金矿’，需要交给市场去检验。”

在深圳大学的黑磷工程实验室里，张晗和他的学生们穿着里外两层的防尘服，用帽子包裹住头发，全身上下只能露出双手和一张脸。他们在一次又一次地实验、记录、再实验……