《低维纳米材料的制备及应用研究》

该项目在低维薄膜材料制备及应用等方面做出了一系列创新性工作。对低维材料的生长机制、光电特性进行了系统的研究,提出了利用红外脉冲激光制备高质量紫外发光宽禁带半导体薄膜的方法,首创了双温区原位生长新型低维材料及其异质结构的方法(专利),制备了多种新型光电子器件;并研究了低维材料与其异质结构在SERS、SPR和FET传感领域的作用机制,实现了对生物大分子和小分子特性的检测;在理论方面,设计优化了等离子体共振理论模型,增强了电磁共振性能,提出和发展了基于量子力学计算的生物分子极化力场,应用于生物分子与材料的自由能计算及相互作用动力学性质的精确高效描述。

主要创新性研究成果包括:

(一)低维薄膜材料的生长机制:探索了红外激光脉冲沉积方法生长宽禁带半导体薄膜的生长机制,制备了光致发光性能优异的氧化锌薄膜;原创性提出了双温区原位化学气相沉积法,并用于生长新型低维薄膜材料及其异质结构。该方法通过高温裂解,低温沉积,实现低维材料的可控生长,为低维纳米材料在光电领域的应用奠定了良好的实验基础。

(二)低维材料的光电特性及其光电子器件应用机制:首次提出了宽禁带半导体ZnO薄膜的蓝光发光机制,分析了新型低维材料(如石墨烯)的优异光电特性,制备了多种光电子器件。通过设计石墨烯-聚偏二氟乙烯(PVDF)结构,实现了柔性扬声器的制备,克服了传统扬声器的局限,为可穿戴设备的发展提供技术支撑;制备了低维异质结构的光电探测器和光纤饱和吸收体,研究了低维异质材料在光电转化及光纤锁模过程中的作用机制。

(三)低维材料与生物分子相互作用机制:在实验方面,设计具有功能化的“核壳”结构和“三明治”结构等,采用表面拉曼增强(SERS)、光纤SPR技术以及FET电子器件实现了对生物小分子和大分子浓度、成分和动力学特征等信息的高精度检测;在理论方面,完善了FDTD和Comsol对低维材料光电增强特性的理论模拟,同时针对生物分子探测精度低,准确性差的问题,发展了基于量子力学计算的生物分子的极化力场,解决了常用力场缺乏静电极化效应等关键问题,从本质上提高了理论计算在研究生物分子与低维材料相互作用动态模拟的准确性和可靠性。

项目进行期间,项目负责人满宝元教授主持完成国家自然科学基金面上项目4项,获“山东省有突出贡献的中青年专家”称号,并被评为山东省优秀研究生指导教师。研究团队主持国家自然科学基金13项。该项目主要研究成果在JACS,Carbon,Applied Physics Letters,Optics Express,Phys.B等国际重要学术期刊上发表SCI收录论文共计200多篇,其中SCI一区70多篇,高被引论文3篇。8篇代表性论文被Science、Nature子刊、Chemical Reviews、Physics Reports等他引597次,研究成果获得国内外同行的认可。项目完成人应邀在国内外学术会议上作会议报告多次。该项目具有较强的系统性,并取得了一系列创新成果,从根本上解决了长期困扰实验和理论研究的重点和难点问题,团队成果对于低维薄膜材料光电特性及其应用的理论和实验发展具有极大的推动和指导作用。

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