張晗教授：黑磷還有極大的探索空間，它將為光電技術帶來無限可能

最新 06-08

編者按：

二維黑磷自被發現起便備受關注，甚至被科學家視為硅的理想替代材料。近年來，黑磷逐漸在電學、光學、生物醫學等多個領域都展現出巨大的應用潛力。

深圳市黑磷光電技術工程實驗室主任、深圳大學特聘教授張晗是國內黑磷最早的研發者之一。2015年，他率先探索出了針對黑磷的液相製備新方法，並首次利用黑磷實現了光纖激光器的鎖模；2016年他首次探索到黑磷可在生物醫學領域上發揮重要作用；今年3月，他與合作團隊成功製備出基於黑磷的光聲成像造影劑，引起熱議。

從非線性光學到光電器件研究，從石墨烯到黑磷，從激光技術到納米生物光子學，敏銳的科研直覺讓他始終走在業界前沿；科研之外，作為導師他有著自己的獨到心得。中國激光特邀張晗教授與大家分享他的科研歷程與教研感悟。

張晗

超級材料——黑磷

黑磷是磷單質在常壓下最穩定的一種同素異形體，它的晶體結構早在1935年就通過X射線衍射的方法確定。黑磷和石墨烯具有類似性質，單層的黑磷不僅具有媲美石墨烯的導電能力，而且存在石墨烯沒有的能隙。

在半導體中，有能隙的存在，半導體吸收了足夠的能量才會呈現出另一種狀態，即在半導體元件中可以表示 0 和 1。顯示器、處理器中的硅基半導體正因為具備這一特點才能得到廣泛的應用。能隙還對材料的光電特性有影響，包括光的吸收、發射和調製，半導體材料的光學性能主要依賴於能隙的大小。由於黑磷存在可通過調整在硅基板上堆疊的黑磷層數來控制的能隙，故被視為一種新的超級材料。

黑磷（圖片來自百度百科）

黑磷可以和光直接耦合，並且它的能隙範圍意味著它可以吸收 0.6 到4.0 μm波長的光，即它可以檢測到整個可見光到近紅外區域的光譜，這個特性使得黑磷極有可能成為一種優質的光電器件材料。此外，黑磷有著獨特的各向異性結構，在電學、光學、生物化學等多個領域都展現出巨大的應用潛力。

黑磷性質優異，製備出高品質二維黑磷的第一步是得到黑磷單晶，但是黑磷難以製備、難以保存。近年來，該材料迎來了復興期，因此摸索出一套成本低、產量高、質量好的黑磷大規模製備方法具有現實意義。我憑藉在科學研究上的敏銳直覺，立馬抓住時機，在2016年組建了全球首個黑磷工程實驗室，並擔任深圳市黑磷光電技術工程實驗室主任，著手開展黑磷材料的研究。

三年研究，碩果累累

我在新加坡南洋理工大學讀博期間從事光纖激光器中非線性光學特性的研究，並於2009年首次在光纖激光器中實現了暗孤子的輸出，揭示了新的激光輸出狀態。但是國際上黑磷研究剛剛起步時，我便認定新型二維材料的用途很廣，黑磷性能還有極大的探索空間，它將給人類帶來無限可能。

2012年，我選擇回國加盟范滇元院士的科研團隊，並在深圳大學任教。我的科研團隊組建後僅一、二年的時間，就取得了多項引發廣泛關注的成果：

率先探索出了針對黑磷的液相製備新方法，揭示了黑磷獨特的層數依賴拉曼特性和非線性光學特性，在「薄層黑磷的大批量製備」上獲得突破，並利用所製備的黑磷實現了激光的鎖模；

開發出一種新型、簡易的熱蒸發法技術，用於製備鈦或碳納米管支撐的黑磷材料,實現從紅磷到黑磷的可控制備並研究其光催化活性（Angewandte Chemi）；

基於液相剝離方法製備得到黑磷納米片，揭示了黑磷納米材料寬波段可飽和吸收特性（Optics Express），該工作入選了高被引論文和熱點論文及2015 年「中國百篇最具影響國際學術論文」；

實驗證明多層黑磷納米片具備寬頻可飽和吸收響應(從可見光到中紅外波段)

採用溶劑熱方法從黑磷體材料成功製備出橫向尺寸約為2 nm的黑磷量子點，將其作為可飽和吸收體用於鎖模激光器中，在通信波段產生超短脈衝（Advanced Optical Materials封面文章）；

利用黑磷的通信波段非線性光學響應，將少層黑磷塗覆在微納光纖上，實驗了全光信號處理（全光閾值和全光調製）及波長轉換和非線性光開關技術，為基於黑磷光通信應用開拓了新的思路（Advanced Optical Materials和ACS Photonics ）；

基於黑磷材料製備上的創新，研製出快速響應、高靈敏度、抗氧化的黑磷光探測器（Advanced Functional Materials）。

黑磷的研究不過短短3年時間，在這個全新未知的領域就要敢於打破常規，不僅僅局限於材料領域。

國際首次——黑磷應用於生物醫學領域

磷是生物體內必需的元素，其在生物醫學領域的應用優勢也是無可比擬的。最近，我們探索到了黑磷的這一重要作用，相關成果發表在在國際著名刊物Advanced Materials、Nature Communications等，這是關於「黑磷應用於生物醫學領域」在國際上的首次發聲。

我們發現黑磷在生物光子學上具備以下獨特優勢：1）可包載化療藥物，包載量高達980%； 2）高效光動力，可以驅動藥物的釋放；3）高效光熱效應，直接殺死腫瘤/癌細胞；4）具有光聲效應，可用於腫瘤活體成像；5）可釋放單線態氧，導致腫瘤/癌細胞死亡或凋亡；6）可直接代謝為「磷」元素，沒有毒性且半衰期適中。

我們團隊在該方向也有著不俗的成績：

在成功製備出的黑磷量子點的基礎上，設計了一種核殼納米球結構，這既保證黑磷量子點在光熱反應中的穩定性，又能實現緩慢釋放和降解，推動了高效安全的腫瘤光熱治療（Nature Communication）；

小鼠注射攜帶藥物的納米球後不同時間點的體內熒光圖像

通過檢測黑磷量子點的光學屬性和對不同細胞系生存率的影響，發現其展示了優異的近紅外光學性能，在近紅外激光的照射下能夠顯著的殺死腫瘤細胞，並且在多種細胞系中均展現出良好的生物相容性（Angewandte Chemi）；

二維黑磷納米薄片較大的表面積比能夠為化療藥物分子的大量吸附奠定基礎，同時在808 nm激光照射下能夠產生局部高熱，用於腫瘤的光熱治療和驅動藥物釋放（Advanced Materials封面論文）；

與中科院深圳先進技術研究院喻學鋒、王懷雨研究員合作，成功製備出基於黑磷的光聲成像造影劑，用於實現高效安全的腫瘤光聲成像診斷（Small封面文章）。

黑磷量子點作為造影劑，獲得了小鼠體內腫瘤的光聲圖像。

科研之外，教書育人

或許在外人看來，科研工作者不過是坐在實驗室里擺弄瓶瓶罐罐、搗鼓儀器、在電腦上計算些看不懂的數字元號。對我個人而言，將科研工作提升為一種興趣愛好，帶著快樂的心情去追尋真理，這個過程所帶來的滿足感和成就感，是一種人生樂趣。

從事科研工作多年，指導學生也有五六年了，對於如何引導學生開展科研、開展跨學科研究以及協調組內與組外合作，我的獨到心得是：各抒其長，互幫互帶，敢於打破常規。

對研究生來說，正處於科研基礎的奠定時期，首先需要學好專業基礎知識、過好英語語言關，其次就要多進實驗室觀摩師兄師姐們做實驗，早日進入科研角色。好比學游泳，最好是跳下水再學，空談游泳理論，不下水永遠學不會；

博士期間要通過論文寫作關，要想在寫作的時候下筆千言，還是得靠論文閱讀量的積累。對於該領域的國外經典文獻至少讀20篇，其中10篇左右需要重複研讀和做比較分析，發表在國內一流期刊的文獻最好悉數翻閱（一般也在20篇左右）。

閱讀文獻更需要連貫性，我讀博士的時候可以一個月連續閱讀不間斷，期間還需要分類整理，寫出詳細的閱讀筆記，並獨立書寫文獻述評。

博後階段科研素養已經形成，會面臨平衡導師課題與自己興趣的難題。博後的研究既要有自己獨立的研究方向，也要與導師的專業特長結合起來，才能產生1+1＞2的效果；在課題研究過程中，要敢於打破條條框框的束縛，從宏觀角度進行把握，對於不太擅長的細節可以由組內的其他人補充，爭取取得原始性創新。

張晗教授在實驗室

開放合作，情牽深圳

如果時光回溯到一二百年前，我們會發現那時的很多科學家僅憑一己之力就能做出很多科研成果，我們學到的很多定理就是以他們的名字命名的。由於科學和技術的進步，如今學科的劃分更加細緻，一個人很難有精力涉及好幾個領域。如果想把自己的領域做深做透甚或有些突破，那麼相關領域內或者跨學科的科研合作就顯得尤為重要。

我的課題組有一位出色的博士後，我將他安排在與他之前專業不同的小組裡，一段時間後，通過這種不同學科間思想的碰撞，這個小組取得了很多高水平成績。所以，我在課題組成員的聘用與組合上不會拘泥於專業，但又看重專業的相通性；尊重個人科研的獨立性，但又從方向上進行溝通磋商與宏觀把握。按照所做的課題，根據每個成員的知識結構，靈活採取小組合作制。

這幾年，我們與劍橋大學、哈佛醫學院、瑞典卡琳羅斯卡醫學院、新加坡國立大學、新加坡南洋理工大學等高校密切聯繫，在學術交流、人才培養上取得合作。通過這些交流，學生們屢次獲得前往國際知名高校的學習交流機會，並將先進的科學理念和成果帶回國內。

我們團隊來到深圳大學以後，一直非常渴望能夠培養一批優秀的學生，為這座城市的未來發展貢獻綿薄之力。因為一個城市的魅力，不僅在於能夠吸引人才進來，還在於它可以輸出怎樣的人才，為這座城市服務。

張晗簡介：

深圳大學光電工程學院特聘教授、博士生導師，首屆國家優秀青年科學基金獲得者、中組部青年千人計劃獲得者、教育部新世紀優秀人才獲得者、深圳市黑磷光電技術工程實驗室主任、深圳市孔雀創新團隊負責人、深圳市政協委員等。從事非線性光學與超快激光研究10餘年，累計發表SCI 文章170餘篇，SCI總引用次數超過7300，H因子為42，兩篇論文入選中國百篇最具影響力國際學術論文。擔任Photonics Research副主編及Scientific Reports期刊編委。主持基金委國家重點項目、深圳市孔雀創新團隊等項目13項。

張晗課題組簡介：

課題組是從國內外各個大學引進到深圳市、深圳大學，重新組建的國際化科研團隊。目前，課題組由具有物理、材料、光學甚至醫學等多學科背景的博士後、博士與研究生組成。近兩年來，在深圳大學范滇元院士領導下，在教育部二維材料光電技術國際聯合實驗室大力支持下，該課題組在Nature Communications (1篇)、Advanced Materials (2篇)、 Angewandte Chemie (3篇)、Advanced Functional Materials (3篇)、ACS Photonics(3篇)等光電子期刊上共發表30多篇高水平論文，其中十多篇封面論文；兩篇論文分別被評為2014年和2015 年「中國百篇最具影響國際學術論文」；兩篇論文入選2015 年物理領域中國作者發表的高被引研究論文 Top 10。