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【科学讲座】王智杰:纳米结构与器件

2018年9月20日晚七点,科学前沿进展名家系列讲座Ⅲ第158讲在中国科学院大学玉泉路校区阶一4教室开讲。中国科学院半导体研究所研究员王智杰老师介绍了“纳米结构与器件”。

王老师先介绍了纳米相关的一些基本概念。纳米是一个长度计量单位,1纳米=10^(-9)米,一个针头就有100万纳米粗。纳米一词来源于希腊语中的“nano”,这很好地体现了其度量尺寸。纳米材料是指在三维空间内至少有一维处于纳米尺度范围(1-100纳米)的材料或由它们作为基本单元构成的材料。纳米科学是在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。纳米技术是在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术,其本质是一种用单个原子、分子制造物质的技术。纳米技术(Nano-ST)是制造和研究纳米尺度的器件和材料的科学技术。

纳米科技发展经历了三个阶段:1990年以前制备纳米颗粒粉体,1994年前设计纳米复合材料,1994年到现在研究纳米组装体系。王老师认为,纳米科技将促进人类认知的革命,引发一场新的工业革命。

王老师简单介绍了纳米的四大效应:表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、库仑阻塞与量子隧道效应。表面效应是指由于纳米尺度小,其表面能大,故而活性很强。小尺寸效应指由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化,比如黄金被细分到小于光波波长的尺寸时失去了原有的光泽而呈现黑色,对光的反射率降低,这一特性可以用于红外敏感元件、红外隐身技术。

纳米材料可以应用于航空航天,如“机器苍蝇”和间谍卫星;可以应用于化工领域,如光解水;可以应用于微电子领域,如分子计算机;可以应用于医学领域,如纳米机器人清理血管;可以应用于光电领域,如热料敏化太阳能电池;可以应用于国家安全,如舰队的耐腐蚀涂层;可以应用于陶瓷领域使其更耐摔等。

王老师又介绍了纳米材料在光解水器中的应用。光照射在纳米半导体表面,产生电子和空穴。价带空穴是强氧化剂,而导带电子是强还原剂。低pH值利于产生氢,高pH值有利于产氧。半导体光催化制氢的研究方向主要是Z-型体系光催化法、悬浮体系光催化法和光电化学体系制氢。这其中所存在的关键科技难题主要有太阳光利用率低、光量子产量低、能级不匹配和逆反应载流子复合等。

讲座即将结束,同学们积极提问,而王老师也认真回答了同学们的疑问。讲座结束,同学们爆发出热烈的掌声。(文/黄姹  图/黄姹  作者系国科大记者团成员)

主讲人介绍:

王智杰,中国科学院半导体研究所研究员,2004年本科毕业于浙江大学,2009年博士毕业于中科院半导体研究所。随后在美国怀俄明大学、密歇根大学以及德国伊尔梅诺理工大学等知名高校工作。德国物理学会会员。2015年入选中科院“百人计划”,进入中科院半导体研究所半导体材料科学重点实验室工作。主要从事微纳尺度下光—物质作用机理、相关纳米光学器件、光伏器件以及光电化学系统等方面的研究。在Energy Environ. Sci., Nature Communications, J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Angew. Chemie, Nano Energy等学术期刊上发表论文50余篇。

延伸阅读:

“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学等13个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。