天津納米顆粒與納米係統國際研究中心

簡介

　　天津大學天津納米顆粒與納米係統國際研究中心 (簡稱“納米中心”)，是2016年年3月由天津大學第46屆常委會批準建設的直屬科研單位。2018年7月22日開始正式全麵運行。作為一個新型國際化的研究機構，納米中心得到了天津大學各級領導同事的關懷和支持。中心先後獲批國家自然科學基金麵上項目、國家自然科學基金青年項目、天津市自然科學基金重點項目、天津市自然科學基金青年項目、中國博士後科學基金(包含我校 2017年唯一一等博士後科學基金) 、中美國際合作基金以及國家重大研發項目等多項項目支持。2019年，納米中心與明石創新產業技術研究院聯合共建“天津大學⋅明石致遠石墨烯(納米)材料聯合實驗室”，獲得明石創新技術集團的多項項目支持。同年，與北京718建立聯合實驗室並獲得穩定企業研究經費資助。2022年，中心還與浪潮電子信息產業股份有限公司和中科院合肥物質研究院建立了合作研究項目。截止目前，納米中心共獲批各類橫向、縱向科研項目總經費近五千萬元。

　　此外，納米中心獲得諸如2018科技、韓國Park集團、天美日立高科、泰斯肯中國、蘇大維格、卓立漢光、牛津納米科學等多家企業針對中心學生持續的獎學金資助。

　　從正式掛牌至今，納米中心已經成長為一個功能完善、設備齊全的國際化研究中心。目前中心共有50餘名博士及碩士研究生，已培養博士後6名，其中3人入選“博士後國際交流計劃引進項目”，每人獲得40萬元為期兩年的國家博士後研究資助。在為學校儲備優秀師資、節約人力資源成本投入的同時，也為學校博士後改革提供了重要的經驗。與此同時，中心的科研工作正在全麵有序地展開。截止2023年2月，已發表學術論文90餘篇，包括SCI文章80篇(二區及以上刊物63篇)，包括Phys. Rev. Lett.，Nat. Nanotech.，Nat. Mater.，Nano lett.，Nat.Comm.，ACS Nano，Anal.Chem.，Appl. Catal. B, Phys. Chem. Chem. Phys.等。申請發明專利20餘項，國際專利1項，軟件著作權1項。

目標與使命

　　打造石墨烯電子學與團簇物理學領域世界一流的國際化研究平台，為祖國培養銳意進取敢為人先、具有科研創新精神的研究型人才，瞄準世界科學前沿，服務國家重大技術需求，力爭取得世界一流的研究成果。

研究方向

　　外延石墨烯電子學：從SiC單晶到電子學器件——外延石墨烯器件的製備與研究

　　外延石墨烯是一種超高純石墨烯，它是在感應加熱爐中將碳化矽單晶加熱到高溫後在碳化矽表麵生長形成的。外延石墨烯納米電子學可充分利用電子的波動性，因此極有可能成為未來量子計算硬件製造所需的理想材料。同時，外延石墨烯電子學器件還具有遠低於傳統矽電子學器件的功耗，及顯著提高的運行速度。其最為工業界矚目的一大特點是外延石墨烯納米電子學器件可在傳統器件工藝基礎上稍加改進即直接投入生產，無需再額外開發全新的製備工藝。因此，外延石墨烯納米電子學器件具有極大的實用價值和推廣潛力。目前，納米中心已實現了從碳化矽晶柱到300微米晶片的切割、磨拋、氫刻蝕等工藝流程，並成功實現了外延石墨烯電子學器件的加工和測量全流程工藝。

團簇物理學：完全自主研發大型譜儀裝置的搭建

　　團簇是幾個或幾十個原子組成的微觀聚集體，其尺寸一般小於5納米。納米中心基於自由團簇的研究工作是以探索其獨特的電學、磁學、催化等方麵的性質為出發點，並以相關研究成果服務於先進的電子設備及新型催化水解器件的研發為最終目的而展開的。

　　為了深入係統地研究自由團簇的電子結構、高激發態壽命及其內殼層的電子結構，我們自主設計並建造了三套自由團簇研究係統、一套基於質量選擇的團簇沉積係統以及超高真空及環境控製的二維材料在線生長與慢電子衍射及俄歇電子譜聯用的係統。值得驕傲的是，以上四套研究係統全部由中心自主研發設計、在國內完成生產加工並完全由中心師生安裝及調試運行。其中，基於小型靜電離子儲存環用於高分辨全譜測量的光電子能譜儀係統的設計構想是由中心執行主任馬雷教授於2015年9月首次提出的。該係統的建成標誌著世界上第一用於自由團簇全譜光電子能譜測量的儲存環係統的誕生。同時，該係統是我國第一台擁有完全自主知識產權的儲存環係統，其工藝水平和分辨率將趕超歐洲的同類大型設備，填補國家在該領域完全自主研發和建造大型儀器的空白。

基於微納加工技術製備的柔性電子器件開發研究

　　柔性電子器件以其獨特的柔性和延展性，並兼具電學的功能性，在生物醫學工程，新能源，環境，信息，國防等領域具有廣泛的應用前景。基於此，本中心利用微納加工技術，基於一維納米銀線，二維石墨烯納米片，以及利用生物質材料還原氧化石墨烯等材料的高分子功能化複合材料，應用於柔性電子器件和能源存儲器件以及氣體傳感器中。本方向已成為交叉學科中的研究熱點和重點內容。目前該方向已經合作的橫向課題經費達數百萬元。

基於掃描電化學池顯微鏡（SECCM）的催化機理研究

　　掃描電化學池顯微鏡（SECCM）由Unwin於2010年提出，其使用填充電解液和準參比對電極的納米管做探針，通過探針末端形成的彎月形液滴與樣品的程序性接觸來繪製待測樣品的形貌圖像和電化學性質圖像。這一技術，通過液滴與基底接觸時的形態變化，使用交流電正弦調製作為反饋信號，實現反饋微觀結構的電化學性質。中心利用自主研製的探針和最小化應用電壓方案，已經實現了橫向2 nm的高分辨成像，有效解決了SECCM高分辨成像中液滴針尖的穩定性問題。目前，中心已將這種高分辨技術應用到多個研究體係中，包括金納米片、金納米顆粒、石墨烯等。經過十幾年的發展，SECCM的應用也越來越廣泛，這種技術為電化學測試領域提供了更加廣闊的前景。

關於太陽能分解水製氫技術的研究

　　利用太陽能和水資源產生可儲存的氫燃料，已成為當今社會實現“綠色發展”，大力開發新能源的主要趨勢之一。通過自發的光電化學（Individual spontaneously photoelectrochemical, ISPEC）水分解將太陽光轉化為可儲存的氫能，就像一種“人工樹葉”的“人工光合”作用，是非常重要且具有巨大前景的太陽能儲存為氫能的方式。中心致力於通過微加工工藝實現“催化劑-光吸收器-離子交換通道”集成一體的單片無線式光電化學分解水製氫器件，該設計避免了以前三者需要組裝、連線才能使用的複雜過程，使得高效率太陽能轉化氫能器件的結構更為簡單化。我們使用價格低廉的非晶矽光伏材料作為器件的光吸收層，能夠大幅降低器件的生產材料成本，有望實現大麵積批量加工製備。另外，並聯陣列結構設計保證了器件可連續穩定高效工作。在未來，可以將ISPEC集成器件與微型儲能器件例如微型氫燃料電池、微型超級電容器等集成耦合聯用，實現閉環式自供電自產能體係。

基於太赫茲超材料器件的開發研究

　　電磁超材料是具有人工周期性排布與特殊結構設計的器件，能夠表現出傳統材料所不具備的獨特電磁性能。太赫茲波位於遠紅外和微波之間，在物理學、材料科學、生物醫學等領域有極強的應用潛力。然而，由於技術障礙，太赫茲研究起步較晚等問題，出現了“太赫茲Gap”，製約了該領域的進一步發展。為了解決這一問題，中心借助超材料思路給出高質量太赫茲器件的解決方案，采用有限元仿真等方法進行仿真優化，並基於中心強大的加工能力來實現太赫茲超材料的獨立製造。近期，中心的研究聚焦點包括：柔性全介質太赫茲超材料器件研究、太赫茲電磁誘導透明超材料研究、超材料中準晶體周期性的研究以及分類與預測的機器學習在太赫茲超材料中的應用研究。

基於石墨烯及衍生物氣體傳感器的研究

　　氣體傳感器是一種檢測環境中某種氣體含量的電子設備，典型的氣體傳感器主要實際用於諸如氫氣、氧氣、二氧化氮、一氧化氮、硫化氫、氨氣和甲烷等小分子氣體，其應用領域眾多，主要包括汽車電子、消費電子、可穿戴設備、智慧醫療、工業過程、環境監測等行業。微機電係統是一種利用微納加工技術將小尺寸器件集成到一個芯片內部的高科技技術，所生產出的產品功能強大且便於攜帶。中心基於微機電係統製備出多氣體探測芯片陣列，選用具有優異的熱穩定性和耐酸堿腐蝕能力的石墨烯，製備得到的氣體傳感器具有更高的靈敏度、更快的響應速度、和更低的檢測閾值。現階段，利用CVD石墨烯製備的氣體傳感器可以在室溫下實現對ppb 級濃度NO2和低濃度H2的秒級響應，利用熱還原氧化石墨烯製備的氣體傳感器可以在室溫下實現對NH3的快速響應，響應時間在10 s左右。該類器件所用的技術與現代微納加工工藝的高度兼容性也使其具有極高的器件密度和在批量生產條件下更低的器件成本。

實驗平台

　　納米中心克勤克儉，分秒必爭，在經費預算與計劃時間內圓滿地完成了建設目標。秉承打造最先進現代實驗室的建設理念，納米中心以功能為導向，集功能設計與實用美觀於一體。合理的資金使用、科學的方案設計讓納米中心的科研與工作環境在較低的運行成本下達到了國際標準。納米中心在建設過程中注重節能環保，采用高端防塵塗料、防靜電地板、LED照明與雙層防火玻璃來實現安全節能。納米中心具有開放式實驗室、功能完備的公共學習區及便捷的公共休息區，為科研人員提供了非常舒適的工作環境。納米中心科研樓與天津大學青年湖的美景交相輝映。開放式環境符合納米中心鼓勵團隊協作的設計理念。優良的工作環境、合作共贏的科研氛圍讓納米中心的師生們能夠始終以飽滿的熱情投身於激動人心的科學事業中。

國際論壇

　　2018年7月，天津大學納米中心作為主辦方舉辦了第一屆天津國際外延石墨烯論壇。論壇以外延石墨烯為主題，邀請了來自中國、美國、德國、法國等多個國 家和地區的知名學者參會，共同探討了外延石墨烯相關的前沿物理問題及納米技 術的發展方向。2019年8月，由韓國Park Instruments讚助的京津冀納米科技青年科學家論壇也將在天津大學納米中心隆重舉辦。天津大學納米中心始終以發展的眼光，合作共贏的態度走在世界科技發展的最前沿。

交流合作

　　納米中心是一個主張共享與開放的研究機構。中心大型儀器的設計與建造全部由師生親自動手完成。與此同時，中心積極推進與國內廠商的技術共享，為其提供全麵的技術支持與產品性能提升的詳細方案。目前已與多家廠商合作設計並改進了多台大型設備及組件。中心與廠商在合作過程中實現了互利共贏，不僅顯著提升了多種產品性能，而且促使中心的學生得到了豐富的實踐機會。

　　自創建以來，中心與精儀、機械、材料、化工、環境、理學院等學院在科研方麵已開展了諸多合作。中心獨有的技術工藝、齊全的表征設備為校內外科研同行提供了豐富便捷的公共測試服務，實現了設備儀器與技術工藝的全麵共享。

石河子大學⋅天津大學納米中心聯合培養研究生

　　2023年，石河子大學與天津大學納米中心計劃招收4名全日製聯合培養研究生，招生專業為070200物理學和081700化學工程與技術(雙一流建設學科)。

　　石河子大學(Shihezi University)，簡稱“石大”，位於新疆石河子市(石河子市被評為全國最為宜居的花園城市，有綠洲明珠之稱)，由教育部和新疆生產建設兵團共建，是國家“世界一流學科建設高校”、部省合作共建高校、國家“211工程”重點建設高校、國家“中西部高校綜合實力提升工程”和“中西部高校基礎能力建設工程”高校，入選國家“2011 計劃”、卓越工程師教育培養計劃、是國家西部重點建設十四所高校之一，為中西部高校聯盟成員。

　　聯合培養錄取考生在石河子大學修滿研究生課程學分後(一般為一個學期)來天津大學納米中心開展課題研究，科研培養模式與天津大學全日製錄取研究生一致。學習年限、學費、獎助學金、畢業與學位授予按照石河子大學碩士生培養和教育部的相關管理規定確定。

　　每月平均生活補助1000元，年底發放科研獎勵績效，實驗室提供優秀的生活與工作環境，幫助解決住宿問題。

天津大學⋅明石致遠石墨烯(納米)材料聯合實驗室

　　納米中心2019年與明石創新技術集團聯合共建明石創新產業技術研究院，該院依托明石集團在實體產業、技術創新、創投資本等方麵的資源優勢，承擔集團技術創新和新興產業培育任務。該院於2019年1月經國家市場監督管理總局核準，落戶設立在山東煙台，注冊資金3億元。明石創新產業技術研究院下設微納傳感係統、過濾分離技術、載人壓力艙、水工裝備、陶瓷新材料、管理創新6個專業研究院，以及環境工程、礦山工程、水利勘測、智能控製、陶瓷新產品5個設計院。該院近期成功入選了“2019中央引導地方科技發展專項”，參與發起設立了“中國先進製造業投融資服務聯盟”，牽頭建設的“山東省微納傳感技術與智能應用創新創業共同體”是山東省政府批準的全省首批5家省級創新創業共同體之一。

　　其中，明石創新(煙台)微納研究院(簡稱微納院)是明石創新產業技術研究院的核心研究院之一。2019年，納米中心與微納院聯合共建了“天津大學⋅明石致遠石墨烯(納米)材料聯合實驗室”，開展有關微納傳感技術的創新與產業化研究和探索。該實驗室是專業從事微納傳感技術領域設計、研發、測試、智能應用及產業孵化的創新型技術平台。

　　基於該聯合實驗室的科研建設和培養人才方麵的需求，納米中心計劃於2023年定向招收非全日製碩士研究生6名，涉及專業為 085400電子信息和085600材料與化工。這些研究生為依托“天津大學⋅明石致遠石墨烯(納米) 材料聯合實驗室”定向招收，擬錄取考生可與明石創新產業技術研究院簽訂定向培養協議，並按月資助生活費(全覆蓋，一年級800元/月，二年級1000元/月，三年級1200元/月)，以及5000元/年獎學金(覆蓋率可達100%) 。除此之外，學生可正常參評納米中心的企業獎學金，一等4000元，二等3000元，三等1500元。畢業後，可直接至明石創新產業技術研究院報到從事相關的技術或研究工作，若違約應全額退還資助。

　　由納米中心在保證教育質量的基礎上，依據學校相關專業規定兼顧定向單位專業需求製定培養方案。畢業時，學校根據修業年限、學習成績等，按照國家有關規定頒發相應畢業證書，其學業水平達到國家規定的學位標準，可申請授予相應的學位證書。

招生要求

　　(1) 物理學、應用物理學、光電子與光子學技術、材料、化學、微電子、電子工程學等理工科專業，動手能力較強者優先；

　　(2) 工作敬業、嚴謹、認真仔細、吃苦耐勞、責任心強，具有良好的溝通能力與團隊合作精神。