李兆棟:原子沉積構建新未來

發布時間:2024-04-23 閱讀:1053

2018 年 5 月,芬蘭理工學院宣布將千禧年技術獎授予芬蘭物理學家 Tuomo Songtora,以表彰他在資訊科技領域發揮重要作用的 ALD 技術的研究和開發。

原子層沉積(ALD)技術可以將物質以單原子膜的形式逐層塗覆在基板表面,在許多高科技領域發揮著重要作用。 通過原子層沉積製成的薄膜元件幾乎用於所有計算機和智慧型手機。

不僅如此,原子層沉積技術的優勢也引起了其他領域的關注,並已廣泛應用於光伏太陽能電池板、光學透鏡鍍膜、柔性電子、新能源電池、航空航天等相關領域,並初步實現了產業化示範。 目前,武漢大學工業科學研究所研究員李兆東正在研究原子在沉積過程中的結晶行為,並將其應用於介面控制和綠能轉換器件,他預計ALD技術將在未來發揮更大的作用。

2015年,李兆東在芝加哥拍攝了一張照片。

十幾歲時,李兆東對物理有著濃厚的興趣,並在第一屆全國物理奧林匹克競賽中獲獎。 在填報高考時,他也根據自己的興趣選擇了天津大學應用物理專業。 在李兆東的理解中,應用物理學就是為社會服務物理學知識。

因為從小就讀過科學家的故事,所以最喜歡發明家的故事,所以發明應用更符合我的興趣。 此後的近20年裡,李兆棟因為對物質世界的好奇而開始了他的探索。

大三時,李兆棟有幸參加了第乙個全國大學生創新實驗計畫專案,並跟隨老師進入實驗室,對科研產生了濃厚的興趣。

我還記得,在我大三的時候,我和劉長龍教授一起研究了離子注入奈米粒子在退火下的演化,這是我第一次接觸奈米和熱物理過程。 現在回想起來,這段經歷對我產生了深遠的影響,因為我今天研究的原子層沉積也是乙個熱物理過程。 這段經歷促使李兆東選擇在本科畢業後繼續深造。

2009年秋天,李兆東踏上飛往美國路易斯安那州的飛機,開始了他遠洋的留學之旅。 在攻讀碩士學位期間,李兆東學習了材料物理學,並接觸到了用於製備奈米材料的化學氣相沉積(CVD)技術。

當我完成碩士學位時,我已經在科學研究領域接受了一定的培訓,當時有一種非常強烈的願望,想要學習更多的東西,了解一些東西。 碩士畢業後,李兆東申請了威斯康星大學麥迪遜分校材料工程專業,並在王旭東教授課題組攻讀博士學位。

這是乙個研究不斷深化的過程,隨著研究的不斷深入,李兆棟與原子層沉積(ALD)的接觸也越深。

原子層沉積是一種基於有序表面自飽和反應的化學氣相薄膜沉積方法。 通俗地說,亞奈米厚的薄膜層可以均勻地“包裹”在物體表面。 該技術可以實現亞奈米尺度上各種功能材料的均勻鍍膜,解決了當前功能器件的缺陷和均勻性問題,也是一種精密可控的薄膜生長技術。

在攻讀博士學位期間,李兆東的主要工作是原子層沉積和心血管沉積的生長機理和模型創新,以及實驗室原子層沉積和心血管沉積系統的構建和維護。

我不僅做研究,還開始做一些裝置設計、建造和維護工作,我的科研習慣也從書本和文獻中的簡單科學問題擴充套件到實際應用問題。 李兆東說,這是一次非常有意義的科學訓練,這次訓練讓他從最基本的組成單元開始了解儀器的系統,相當於乙個士兵練習組裝一把槍,從它的骨架結構開始,“所以我可以從結構單元來理解儀器本身的設計原理, 並進行轉型公升級,一旦出現問題,我也知道如何修復,這是從理論到實踐的訓練。

李與美國農業部林產品實驗室的科學家合作,將他所學到的知識付諸實踐。 在奈米結構的所有三維形貌中,纖維素奈米纖維(CNFs)因其豐富、低成本、可降解性和生物相容性而在奈米加工中越來越受到關注。 李兆東以從木材中提取的CNF為模板,對沉積的二氧化鈦(TiO2)薄膜材料進行高效的光電化學水解。

利用CNF薄膜優異的親水性能,李兆東開發了一種毛細管光電化學(PEC)器件,用於電解液外部的水分解反應。 他在導電基板上原位合成了活性二氧化鈦奈米管光陽極,並用環氧樹脂封裝,在光陽極底部與CNF薄膜接觸的中心留下了乙個暴露區域。 在這種實驗設計中,將光陽極置於電解液之外,由於CNF優異的親水性,毛細管力可以快速連續地將電解液“吸收”到光陽極表面,從而避免了電解液對光能的吸收損失,增加了反應動能,使光解水的製氫效率大大提高。

以上研究成果由李兆東總結,題目為“High-efficient capillary photoelectrochemical water split using cellulose nanofiber-templated tio2 photoanode”,題目發表在材料期刊Advanced Materials上。 “這是我的第一篇博士論文,它解決了乙個非常關鍵的問題,這給了我很大的成就感。 李兆東高興地回憶道。

李兆東和美國國家可再生能源實驗室研究團隊成員。

博士畢業後,李兆東在美國倫斯勒理工學院從事博士後研究。 在這項工作中,他創新了ALD前驅體的種類和穩壓供應技術,突破了具有三維微納結構的二維材料保形包覆的難點,大大提高了過渡金屬硫化物電極插層脫鋰的穩定性。

李兆東以固體無機硫(S)和四氯化鈦(TICL4)為ALD前驅體,實現了高溫下多晶二維硫化鈦(TIS2)的合成,設計了固相硫熔煉與氣相硫注入的關聯控制系統,並利用系統壓力變化脈衝(ΔP)反饋控制硫磺的熔化溫度, 解決了ALD固體前驅體蒸氣壓低導致進樣量不穩定的問題。

經過深入的實驗觀察和效能測試,李兆東發現,與TIS2保形塗層結構相似的三維微納硫化釩(VS2)鋰離子電池電極可以有效保持較高的鋰離子擴散率和電導率,同時吸收鋰離子進出電極晶格引起的應力突變,電極結構在插層除鋰作用下保持穩定, 容量留存率提高 15 倍(400 次充電/放電迴圈)。 在這項研究工作中,李兆東完成了所有CVD和ALD材料的合成探索和引數優化。 研究結果發表在《自然通訊》上。

此時的李兆東已經在美國大學從事了近10年的科研工作,對於從未接觸過的美國國家實驗室,他非常好奇。 因此,在倫斯勒理工學院完成博士後研究專案後,李先生加入了美國國家可再生能源實驗室,開展新的研究工作。

在美國國家可再生能源實驗室工作的三年時間裡,李兆東在氣相合成和材料應用擴充套件領域開展了二維材料領域的一系列創新工作,在綠色新能源轉化和碳中和研究領域取得了豐碩成果。 僅在2021年,李兆東就在《能源與環境科學》領域期刊上發表了兩篇文章**。 此外,他還在新能源儲存催化領域發表了7篇論文**,並兩次獲得國家可再生能源實驗室材料化學與計算科學部年度突出貢獻獎。

在此過程中,李兆東還親身體驗了美國國家實驗室與美國大學在研究管理和研究目標方面的差異。 “不同於高校對新發現的發散探索,在國家實驗室,其每個科研專案都有明確的目標,每個專案的研究人員必須按照目標開展工作,並在計畫的時間點完成和總結,以確保整個專案能夠達到既定目標。 李兆東解釋道。

2020年,新冠肺炎疫情是非常嚴重的一年,但李兆棟的研究工作並沒有停止,他仍然每天早上準時到實驗室報到。 “我們實驗室的管理還是比較嚴格的,預約都是通過網上系統進行的,每個時間段只能有乙個人工作,這樣盡可能降低感染風險。 李兆棟表示,科研不會因為疫情而停止,所以希望利用這段時間做更多的研究積累,為日後回國做準備。

2022年4月,李兆棟回國,在武漢大學工業科學研究所擔任博士生導師、研究員。 李兆東坦言,做科研是乙個不斷攀登高峰的過程,只有真正掌握知識和技術,才能成為獨立的科研工作者。 “我認為,有了這些經驗,這十年的海外旅行就不會浪費了。 這也是他最終選擇回國,在大學做科研的原因。

留學期間,李兆棟回國探親,隨父母參觀頤和園。

在物理學界,李兆東收穫頗豐,他真切地感受到了科研的重要性,也體會到了每個階段都有導師指導他的寶貴。

李兆棟上大學的時候,就跟著劉長龍先生做了很多物理實驗,第一次感受到了文學的魅力。 博士時,在威斯康星大學麥迪遜分校王旭東教授的指導下,他做了第一次面向實際問題的研究,在了解了儀器和系統的維護和構造後,解決了相應的問題。 作為博士後研究員,王國慶教授提公升了解決問題的能力,教會了他如何寫出更好的計畫,如何進行實驗設計,避免實驗中可能出現的危險。

這些經驗是一次很好的科學訓練,也是一次寶貴的經驗,我以後需要傳授給我的學生。 “李兆東說。

在王國慶老師的實驗室裡,有乙個被李兆棟稱為“靈感櫃”的櫃子,裡面擺放著許多前輩學生留下的奇形怪狀的裝置和零件。 之前的乙個專案是我在'靈感櫃'中找到的靈感,我終於完成了實驗。 這樣的一幕,總會讓李兆棟想起小時候在陽台上翻找父親工具箱的情景,那是值得永遠銘記的童年樂趣。

走在科研無止境的道路上,李兆棟遇到了許多困難和失敗。 面對失敗,他有著不一樣的感受。 “我哥哥跟我說,失敗就是乙個盲人走進乙個房間,他摸遍了房間的每乙個角落,雖然可能沒用,但他了解房間的大致空間,瞎子也知道自己站在**,下次才能走到正確的位置,找到通往成功的道路。 正因為如此,李兆棟從來不怕失敗,因為他知道自己離成功已經不遠了。

距離2022年4月正式上任僅幾個月時間,李兆棟還在慢慢適應和探索中國的科研生活。 “我的團隊裡有很多年輕人,老、中、青年三代科研人員結合得很好。 我向年長的老師學習,年輕的老師互相鼓勵,互相鼓勵,我們相處得很好。 這是李兆東非常喜歡的狀態。

作為一名教師,李兆棟希望自己的學生不怕困難,不容易沮喪,願意通過科研做一些具有挑戰性的事情,不做純粹功利主義的研究,更不忘初心,永遠牢記選擇科研道路的初衷。

我將從科研習慣、批判性思維、動手能力、資料分析與收集能力、資源整合能力、解決問題的能力、語言表達能力和學生引導能力等方面培養我的學生。 他希望同學們能夠全面發展,在科研的道路上越走越遠,在不久的將來培養更多的學生,為祖國的科學研究貢獻新的力量。

未來,李兆東將繼續往國外的研究方向,開展原子級熱力學和動力學對原子層沉積材料結晶的精確調控研究工作,推動先進原子層沉積裝置與能源技術發展和材料合成技術的深度融合。

我的目標是創新氣相沉積技術的模式和裝置,通過機制控制開發一些新材料,用於新能源領域的應用。 ”

同時,面對國家的碳達峰、碳中和戰略,李兆棟也希望結合所學之心,為國家貢獻力量。

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