一、二维材料的可控制备、表征与特性研究
二维材料具有诸多令人瞩目的物理、化学性质,使其成为目前国际材料科学及诸多交叉科学研究的前沿热点。随着2004年石墨烯被发现(2014年诺贝尔化学奖),并在电学、光学、热学和力学等方面均已展现出十分优异的性能,研究者开始探索其他性能出众的新型二维原子晶体材料,包括:石墨炔、拓扑绝缘体、过渡族金属硫化物(TMDs)、过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)、六角氮化硼(h-BN)、磷烯、锑烯、铋烯等。它们性质多样且互补,涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体各种类型。并且,二维材料由于界面非平衡分布的原子结构,使其具有显著不同于体相的特殊性质,因而在健康、环境和能源等领域均有重要应用。虽然二维材料的制备与表征、性质探索和器件应用都已取得长足的发展,但与实际应用和产业化需求还有一定距离,如大面积均匀的二维材料及其特定复合结构的可控制备、基于二维材料及异质结的新型低能耗高集成器件的结构设计、新型大规模器件的构筑印刷技术等,均有待进一步发展。此外,二维材料家族中仍有不少备受期待的新材料尚未被制得,部分二维材料的物理、化学性质也有待揭示。本课题组通过全新的思路实现二维材料的可控制备,并对其进行高性能表征与特性研究。
二、二维材料生物医学
基于二维材料的智能仿生纳米诊疗平台及其在精准生物医学领域的应用。成功研制出智能黑磷水凝胶纳米医药载体并用于精准肿瘤治疗,通过近红外光精准控制药物的释放和植入体的降解,最终达到根除肿瘤的效果,术后该材料可自动降解为天然无毒产物。基于二维黑磷在生物医学上所具备的独特优势,结合先进激光技术,交叉协调创新,有望为肿瘤癌症的治疗提供新的思路和视野。该研究的成功临床转化,将加快人类治愈癌症的进程。
基于二维材料的光声成像是一种生物光学诊断方法,由于具有较高的图像对比度、灵敏度和空间分辨率,与其他传统的光学成像技术相比,它是一种有前途和优越的体内生物成像方法。由于光热效应和光声效应与入射光的吸收截面成正比,因此使用具有更高光热转换效率的二维材料可以获得更好的光声成像性能。
作为传统癌症治疗方法的替代品,光疗具有侵袭性小、治疗效率高等优点。一般来说,光疗分为光热治疗和光动力治疗。光热治疗是基于光敏剂在特定波长的光照射下产生的热能。光动力治疗是基于光在特定波长触发的光敏剂的光化学反应,在次过程中许多细胞毒性活性氧被产生来杀死光照区域的靶向癌细胞。二维材料具有优异的光物理化学特性,因而作为一种潜在的光敏剂引起了人们的注意,因为它具有令人印象深刻的载流子迁移率和可调的带隙,这使其在紫外、可见和近红外区域具有宽谱吸收,并能将辐照能有效地转化为活性氧或热能。
三、二维材料光电子学
二维材料石墨烯的出现开启了光电研究领域的另一扇大门。自从2004年Geim和Novoselov首次从石墨中分离出单原子层的石墨烯并于2010年获得诺贝尔物理奖以来,石墨烯在电子器件、工业催化以及生物工程等领域的研究得到了蓬勃发展,二维材料家族受到了研究者的重新审视与关注。以石墨烯和过渡金属硫化合物为代表的仅有几个原子厚度的二维材料呈现出了异于传统体相材料的光学、电子学、热力学等性质,可谓是二十一世纪的超级材料。2014年,一种新型层状结构材料黑磷加入到二维材料家族中来。与石墨相似,黑磷材料的层间由弱的范德华力相连,层内相邻磷原子通过P-P共价键紧密相连形成一个褶皱的蜂窝状结构。与其它二维材料不同的是,黑磷具有平衡的光电性能,如直接带隙和较高的载流子迁移率,因而具备超越石墨烯和过渡金属硫化合物的潜力。单层黑磷的带隙约为2 eV,带隙随着层数的增加而减小,多层黑磷的带隙约为0.3 eV,因此,黑磷材料从可见到红外光谱范围内都有很好的光学吸收;同时,黑磷具有优异的电学性能,在室温下的电子迁移率高达1000 cm2 V-1 s-1,有利于载流子的迁移;另外,原子级别的单层厚度和大的二维平面为其物理化学特性的发挥提供了极大的表面。作为迄今发现的最薄的直接带隙半导体材料,黑磷在光学、电子学、光催化等方面具备的卓越性能使其具有广泛的应用前景。