段镶锋：不忘初心 纳米材料科研大有作为

中国科普网讯(记者马爱平)物质技术的发展影响着人类的生活水平。今天，纳米材料科学的进步可以使人类在保护环境的同时更加丰富多彩，并使人类在食物、衣服、住房和交通方面更加舒适和方便。世界各国都非常重视材料科学的研究和发展。世界上涌现出一大批伟大的材料科学家，其中加州大学洛杉矶分校的终身教授和湖南大学的杰出教授段剑锋就是其中的佼佼者。

说到段剑锋，业内人士喜欢称他和他的妻子黄宇为“纳米世界中的巨鹰”。命运有它自己的命运。这两个人是科学硕士的兄弟姐妹。后来他们去哈佛深造。早在他们攻读博士学位时，他们就一起工作，并在《科学与自然》杂志上发表了许多与半导体纳米线器件相关的研究成果。

不要忘记你的主动精神，以便实现你的最终目标。从国际形势来看，与美国相比，中国的材料制造业总体上处于弱势地位。因此，段决定于2013年回国，为祖国纳米材料的科学发展做出贡献。段怀着一颗纯洁的心，回家后在心里定下了一个目标:“我希望在这里(湖南)促进科学研究和青年人才的培养。”

经过几年的努力，段集战线在湖南大学先后取得了突破。去年5月，通讯作者段志峰发表了《科学》杂志关于纳米材料和储能的重要研究进展。论文的合著者梅琳是湖南大学化学与化学工程学院的博士后研究员。湖南大学是论文的第二单元。同年8月，他与湖南大学的董作为合著者，宣布了《科学》在二维材料领域的重大突破，这是湖南大学历史上第一篇具有第一单位和通讯作者单位地位的自然科学(Nature，国际*权威期刊，简称Science)科研论文。今年，段剑锋和湖南大学先后发表了三篇关于自然的论文，报道了二维超晶格中肖特基-莫特极限的研究等重要工作。

来自海外的水果

在国外，段志峰取得了显著的科研成果。他获得了美国哈佛大学化学硕士学位和物理化学博士学位。从2001年到2008年，他在美国纳米科技公司工作，是该公司的联合创始人之一。他在洛杉矶加州大学任教，直到2008年成为终身教授。

由于其杰出的科研业绩，他先后获得了“MRS国家杰出研究生奖”、“国家发明人竞赛奖”和“世界100名杰出青年发明人”等多项奖项和荣誉。2001年，他和现为洛杉矶加州大学教授的妻子黄宇共同完成了纳米电子学领域的成就，该领域被《科学》杂志评为2001年世界十大科技进步并名列第一。2011年2月10日，汤森路透公布了2000年至2010年世界百强化学家名人堂名单，段排名世界第41位。在世界前100名材料科学家名人堂的名单中，他排在世界第20位。2013年8月，他因在纳米科学领域，尤其是石墨烯和光催化领域做出的杰出贡献获得了柏比奖章。奖牌很少授予中国科学家，段家峰成为该奖项83年历史中的第三位中国获奖者。

2001年，段和妻子黄宇共同完成的纳米电子学领域的相关成果被《科学》杂志评为“今年的重大突破”，标志着电子器件的进一步完善。在过去的10年里，提高计算机的运行能力主要依赖于在芯片上组装越来越多的电路，这意味着电子设备的尺寸越来越小，其组装程序变得越来越难。在这项成就中，他们成功地利用液体流动的力量将许多小至十亿分之一米的分子线排列成大约毫米的长度，然后通过改变液体流动的方向，它们相互交错以形成电路和电子器件，这使得纳米电路的低成本处理成为可能，并在电子计算机和电子元件的小型化方面显示出巨大的潜力。

从哈佛大学毕业后，段冯冰作为联合创始人之一加入了纳米科技公司，成为探索硅谷前沿产业的企业家之一，并致力于开发与纳米线和量子点等纳米材料相关的各种产品。

作为这项技术的创始人之一，段建峰在纳米系统的工作中探索并创造了许多纳米材料的应用概念。虽然有些概念非常新颖，但在商业化过程中却遇到了巨大的挑战。一些与最初可能不太有前途的产品相关的概念已经成功引入市场。现在新兴的量子点电视的核心技术基本上起源于这家公司。

到目前为止，经过十多年的锤炼和反复总结，段建峰已经突破了从材料到性能到功能产品的每一个环节，形成了自己的优势。

树木和湖泊发展新风格

2013年，段凌峰成为湖南大学特聘教授。2013年底，他依托湖南大学“化学生物传感器与计量学国家重点实验室”和湖南大学物理与微电子学院“教育部微纳光电器件与应用重点实验室”，组建了“微纳系统与器件”研究团队，致力于纳米材料的合成、组装和表征。先进的电子和光子材料及设备；能源利用、转化和储存；在生物医学传感和治疗领域开展了一系列极具创新性的理论、实验或工程研究，使研究成果达到国际先进水平。

凭借段建峰多年积累的基础研究和应用研究优势，他的团队根据前沿和实际功能应用需求进行了深入探索。一方面，它可以在功能上有效体现材料的特性，另一方面，它可以根据功能需求设计材料，然后用自己的开发方法来制作材料。近年来，该团队充分发挥其独特优势，取得了显著成绩。

石墨烯、单层和小层硫化钼(MoS2)、硫化钨(WS2)等二维材料是近年来新开发的材料，具有优异的电学、光学和力学性能，在新一代电子和光电器件(如低能耗、低成本柔性显示器件、新型光电和量子器件、传感器件等)中具有重要的应用潜力。为了挖掘其更大的应用潜力，有必要开发可靠的合成方法来精确控制其化学组成和电子结构。

在湖南大学“985”高层次人才引进基金的支持和化学化工学院的大力支持下，段剑峰及其研究团队对传统的化学气相沉积(CVD)装置进行了改进，开发出了原位改变气态反应物的技术，这是获得水平异质结的关键。这种原位改变气相反应物的技术对于横向异质结的制备是通用的。例如，研究小组利用这种技术成功地制备了WS2/WSe2和MoS2/MoSe2等单原子层横向异质结。在此基础上，研究小组利用这些横向异质结制备了一系列功能器件，包括pn结二极管、光电探测器和逆变器。在相关领域，也有两个国际研究团队几乎同时进行类似的研究。在这场激烈的科研竞争中，湖南大学的科研团队拥有最丰富的数据，并详细展示了其在电子和光电器件方面的应用。该论文于2014年在网上发表后，成为《自然纳米技术》杂志上最受欢迎的文章之一。许多专业杂志和媒体如《自然材料》和nanotechweb.org网站也进行了专题报道。2017年，他与湖南大学的董合著的《科学》杂志将这一方向推向了一个全新的高度。他们在稳定生长条件的过程中创造性地引入了冷逆向气流，成功地解决了二维超薄材料在多步生长过程中的热稳定性和可控成核问题。由于每一步的生长都是高度可控的，这种方法可以制备各种单原子层异质结、多异质结和超晶格。他们用这种方法制备了单层异质结(如WS2-WSe2、WS2-MoSe2)、多层异质结(如WS2-WSe2-MoSe 2、WS2-MoSe2-WSe2)和超晶格(如WS2-WSe2-WS2-WSe2-WS2-WS2)，并证实WS2-WSe 2异质结具有良好的pn结整流特性。

该外延生长方法可以巧妙制备多种二维材料异质结构，为进一步研究二维材料的具体性能和实现其应用潜力提供了可靠的合成方法，为二维材料领域的进一步基础研究和功能应用提供了坚实的材料平台。自发表以来，该论文引起了国内外同行的广泛关注，并被《自然》和《科学》等科学期刊广泛引用。

日常生活中的许多产品都离不开电池，但电池的充电速度和使用时间往往并不理想。在储能领域(主要指锂和超级电容)，充放电的电流密度和电源的比能量密度一直是不可调和的矛盾，一个对另一个，互相残杀。高功率密度和高能量密度的可充电二次电池电极材料一直是科学研究的关键难点。

为了解决这一问题，段志峰带领加州大学洛杉矶分校化学系博士后孙洪涛和湖南大学博士后梅琳共同发表了题为《三维多孔石墨烯/Nb2O5复合电极材料的高速储能应用》的科学论文。论文报道了以三维多孔石墨烯/Nb2O5为负极材料。实验发现三维多孔石墨烯可以作为框架结构来实现纳米电极材料的高负载。同时，其优异的导电性和多孔结构可以实现快速充放电过程中电子和离子的快速转移。该电极材料的功率密度接近超级电容器，而在特定条件下，其能量密度可接近普通二次电池。同时，经过10000次高倍率电流循环后，电池的容量衰减仅为10%，远远高于普通锂电池的循环寿命和倍率性能。所制备的电极材料除了具有使用寿命长、循环稳定、快速充放电等优点外，其负载能力也达到了工业水平。这一结果对未来发展充电速度快、续航能力强的电池来说是重要的一步。

段剑锋认为纳米材料在科学研究方面有很大成就。纳米材料在燃料电池转换和存储方面的成就被应用于新能源电动汽车。信息产业发展了几十年的技术被应用到生物检测、疾病诊断等领域，为健康产业服务。例如，研究一种可穿戴的电子材料薄膜产品，它可以显示脉搏波形、血糖值等，从而帮助疾病患者实时监测健康状况。展望未来，段剑锋希望纳米技术能够在实际应用中惠及更多的人，为我国的社会和经济发展增添强大的推动力。