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一、課題組簡介

課題組致力于研究納米材料的合成與表征技術，探索納米材料在能源轉換及存儲，以及低維電子器件領域的應用。以碳基材料（包括石墨烯、氧化石墨烯、碳管及其半導體復合材料等）為主要研究對象，利用分子設計、結構優(yōu)化、界面/表面構筑、模板調控等手段，開發(fā)和設計具有高效能量轉換能力的新型納米復合材料；發(fā)揮納米材料物性結構優(yōu)勢，設計開發(fā)適用于電化學原位表征技術的微納米電子器件；并進一步通過先進表征手段對電極/電解液界面的電化學過程及進行原位實時檢測，深入探究反應機理、界面結構及界面效應等對器件性能造成的影響，不斷優(yōu)化設計并實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應用。

二、課題組負責人

張躍鋼教授是國際著名材料科學家�，F(xiàn)為清華大學物理系長聘教授，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所客座研究員。兼任“Scientific Reports”, “Graphene”, “Flexible Electronics”,“功能材料”等學術期刊編委，30多家國際學術雜志論文評審專家，美國布魯克海文國家實驗室功能納米材料中心評審委員，美國國家科學基金評審委員，美國Keck基金評審委員，法國-伯克利基金評審委員。是美國材料學會，化學學會，電化學學會及IEEE會員，擔任中國化學會第29屆理事會理事。

張躍鋼教授畢業(yè)于清華大學物理系，于1996年在日本東京大學獲得材料學博士學位。之后曾就職于日本電氣基礎研究所、斯坦福大學、美國英特爾公司（資深研究員）、美國伯克利國家實驗室（終身研究員）等機構。曾擔任國際半導體技術規(guī)劃（ITRS）新器件及新材料專家工作組成員，美國基礎納米科學年會自組裝結構與器件分支主辦委員會成員。迄今為止承擔科研項目十多項。

張躍鋼教授在國內外從事科學研究工作近30年，期間在多個研究領域，如“納米材料的合成與表征”、“納米器件的設計及微納加工技術”、“能源轉化的化學物理機理”、“電化學能量存儲器件”和“界面原位表征技術”都取得了重要的研究成果。截至2021年1月共發(fā)表SCI論文180余篇，被引用次數(shù)超過17000次（h-index為61)；獲得授權專利30余項；為5部專著撰寫有關章節(jié)；并受邀在30多個國際會議上作過特邀報告。

近年來，在鋰離子電池、鋰硫電池、鎂硫電池、超級電容器等電化學能量存儲方面的研究進展：

（1）提出了在鋰硫電池中利用氧化石墨烯化學固硫的概念，相關論文單篇引用超過了600次；

（2）其中基于氮化石墨烯/硫復合電極材料所設計的鋰硫電池循環(huán)壽命高達2000次，創(chuàng)造了該類型電池的新紀錄，其比容量、充放電速率也均居于世界領先水平；

（3）自主研發(fā)設計了原位掃描/透射電鏡電化學芯片，實現(xiàn)了對電極充電過程的實時觀測，Advanced Energy Materials和Advanced Materials雜志刊登了相關成果；

在納米材料合成與表征、納米器件制造與測試方面的主要創(chuàng)新成果包括：

（1）合成了由納米管和半導體納米線組成的納米同軸電纜結構（發(fā)表在Science雜志上）；

（2）實現(xiàn)了單層碳納米管與半導體或金屬間的納米異質結構（發(fā)表在Science雜志上），這個研究成果對改善碳納米管器件的電學接觸特性起了重要作用；

（3）發(fā)現(xiàn)了碳納米管對光照有電學及力學反應，為以后納米管人工肌肉的研究奠定了基礎；

（4）用實驗證明了用化學氣相沉積法制備的碳納米管半徑與金屬催化顆粒尺寸的對應關系，對碳納米管生長機理的研究起了重要作用；

（5） 運用電場對碳納米管的排列效應實現(xiàn)了器件制備所要求的化學氣相沉積納米管的原位有序生長；

（6）用化學或生物分子對碳納米管表面進行非共化鍵改性，非共化鍵改性不會影響碳納米管的電學特性，但仍然可以用來在納米管上安裝蛋白質，納米晶粒等，對化學或生物傳感器至關重要，相關論文被引用次數(shù)超過1900次；

（7）實現(xiàn)了由單個納米管與金屬納米顆粒組成的具有單電子靈敏度的納米閃存器件；

（8）利用碳納米管與SiO2組成的“納米鉛筆”核殼結構納米探針在壓電介質上實現(xiàn)了超高密度數(shù)字存儲器件；

（9）提出和實現(xiàn)了用光學捕獲方法操作與分離碳納米管。

2008年起在美國伯克利國家實驗室開展了石墨烯材料的研究：

（1）用化學氣相沉積法直接在介電基底上形成單層石墨烯薄膜和納米帶場效應器件陣列；

（2）觀察了單層石墨烯迪拉克點附近的反常噪聲特性；

（3）研究了石墨烯納米帶器件的量子局限效應，揭示了石墨烯納米帶的寬度對其輸運特性的影響。

三、課題組研究方向

（1）二維納米材料

課題組致力于探索低維碳納米材料的合成、修飾及組裝方法，控制其形貌、結構及幾何圖樣，應用于納米電子及能源儲存器件研究中。主要開發(fā)了多種類型的化學氣相沉積法在不同的基底上生長石墨烯及碳納米管薄片；突破性直接在SiO2基底上生長石墨烯納米帶，不僅直徑、長度和沉積位置可控，其載流子遷移率更超過1000cm2/V.s；此外，課題組也研究了包括SiC 熱處理、液相石墨剝離、氧化石墨烯還原、等離子體輔助CVD法等多種材料合成、修飾及組裝技術。

（2）電化學儲能器件

針對現(xiàn)有鋰硫電池體系發(fā)展的技術瓶頸，課題組利用碳材料載流子傳輸效率高、化學吸附活性強、多孔結構可調節(jié)等優(yōu)勢，制備出碳-電化學活性復合材料，其電容量、充放電速率及循環(huán)壽命都得到了極大的提升；以氧化石墨烯作為固定劑，有效阻止了硫及多硫化物在有機電解液中的溶解, 該GO-S復合材料顯示出優(yōu)異的可循環(huán)性及電容穩(wěn)定性；此外，在鋰離子電池，鋰硫電池，超級電容器等電化學能量存儲方面的研究也取得了突出進展，設計了不同納米結構的電極材料應用于鋰硫電池體系，相關成果發(fā)表在Energy & Environmental Science，J.Am. Chem. Soc.，Nano Letters等雜志上。

（3）電化學過程及界面原位表征

課題組通過拉曼光譜、透射電鏡等表征手段對電化學過程及界面進行原位實時檢測，深入探究其反應機理、異質結構及界面效應等對性能造成的影響，不斷優(yōu)化并實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)應用。

（4）太陽能高效轉換

課題組的研究興趣在于設計和開發(fā)高效能量轉換納米復合材料，通過利用異質結構界面效應，克服傳統(tǒng)半導體材料可見光范圍內光催化效率低，窄帶隙半導體材料光腐蝕嚴重等缺陷，探索其在光催化制氫和光電化學器件中的應用。

參考來源：

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所官網(wǎng)