昆明理工大学材料科学与工程学院蔡金明

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蔡金明博士，男，1980年生，2003年获北京大学物理学系学士学位，2009年获中国科学院物理研究所博士学位。2008年到美国橡树岭国家实验室做访问学者一年，2009年到2014年在瑞士联邦材料科学与技术研究所做博士后。蔡金明博士从事前沿表面科学和纳米材料研究十多年，在有机功能薄膜材料特别是石墨烯相关材料的制备与本征物性表征方面取得了世界级优秀成果，截至2015年5月，共发表SCI论文20余篇，总影响因子182，包括以第一作者发表在《Nature》、《Nature Nanotechnology》上的论文，被SCI文献他引超过1600次，总引用超过2100次；在世界知识产权组织、欧盟、美国和中国等多国和机构注册和申请五项发明专利；在国际学术会议作报告14次，其中包括2011年在美国物理年会上的邀请报告。蔡金明博士还长期担任Applied physics letters，Nanotechnology等SCI期刊的审稿人。他的科研成果受到国际同行的广泛认可，被Nature Materials, Nature Chemistry, Science Daily等多国的多家媒体报道，并入选自然杂志社评选的"image of the year, 2010" ，他还获得瑞士联邦材料科学与技术研究所2011年度科研奖。2015年5月由昆明理工大学作为高端学术人才引进。


姓    名 蔡金明
性    别 男
职    称 特聘教授
学   位 博士
研究方向
1. 低维纳米材料包括碳纳米管，石墨烯等的合成及其本征物性表征；
2. 有机功能分子体系的表面自组装和化学反应机理研究，及其物性表征；
3. 纳米电子器件基本功能单元的构造与物性，及其工业化应用开发；
4. 有机-无机复合多功能材料的开发与应用；
5.新型实验设备的开发与应用。
通讯地址 昆明理工大学莲华校区材料科学与工程学院
联系电话
电子邮箱 jinming.cai@foxmail.com

在研项目
昆明理工大学人才引进项目启动经费，1000万
科研成果
代表性工作：
    1. 在世界上首次以自下而上(bottom-up)的方法制备结构可控、原子级精准的石墨烯纳米材料，并在世界上首次用实验证明了碳纳米材料的径向呼吸模型(Radial Breathing-like Mode)，相关结果发表在NATURE 466, 470-473 (2010)；J. Am. Chem. Soc. 135, 2060-2063 (2013)；J. Am. Chem. Soc. 132, 16669-16676 (2010)；Chem. Comm. 45, 6919-6921 (2009)上。
    2. 在世界上首次制备出系列大面积的能带结构稳定，重复性高的石墨烯纳米带，相关结果发表在Nature Communications 5, 4253 (2014)；ACS Nano 6, 6930-6935 (2012)；ACS Nano 6, 2020-2025 (2012)上。
    3. 在世界上首次制备出具有半导体器件PN结特性的、自建电场稳定、重复性高的石墨烯PN结以及其他异质结结构，相关结果发表在Nature Nanotechnology 9, 896-900 (2014)；Chin. Phys. B 19, 037202 (2010)；Chin. Phys. B 20, 107301 (2011)；Carbon 47, 922-925 (2009)。
代表性论文：
1.      J. Cai, C. Pignedoli, L. Talirz, P. Ruffieux, H. Söde, L. Liang, V. Meunier, R. Berger, X. Feng, K. Müllen, R. Fasel, Graphene nanoribbon heterojunctions and heterostructures, Nature Nanotechnology, 9, 896 (2014).
2.      J. Cai, P. Ruffieux, R. Jaafar, M. Bieri, T. Braun, S. Blankenburg, M. Muoth, A. Seitsonen, M. Saleh, X. Feng, K. Müllen, R. Fasel, Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons, NATURE 466, 470 (2010).
3.      P. Ruffieux, J. Cai, N. C. Plumb, L. Patthey, D. Prezzi, A. Ferretti, E. Molinari, X. Feng, K. Müllen, C. A. Pignedoli, R. Fasel, Electronic Structure of Atomically Precise Graphene Nanoribbons, ACS Nano 6, 6930 (2012).
4.      S. Blankenburg, J. Cai, P. Ruffieux, R. Jaafar, D. Passerone, X. Feng, K. Müllen, R. Fasel, C. A. Pignedoli, Intraribbon Heterojunction Formation in Ultranarrow Graphene Nanoribbons, ACS Nano 6, 2020 (2012).

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石墨烯，是一种由碳原子构成的蜂窝状结构，具有很多独特的物理特性，被公认为本世纪的“未来材料”和“革命性材料”。利用扫描隧道显微镜(STM)和非接触原子力显微镜（NC-AFM）的电输运性质表征和化学键分辨的能力，可以对石墨烯纳米材料的本征特性进行精确调控与表征，是表面科学研究的重要手段，并有着广泛的应用前景。
        近年来，基于STM和NC-AFM技术，我校蔡金明教授团队在石墨烯相关研究领域已经取得一系列有意义的研究成果，包括：可控制备大面积、高质量的单层多孔石墨烯（Chem. Comm., 55,10800, 2019）；石墨烯表面拓扑缺陷超结构的电学表征和调控（Chin. Phys. Lett., 38, 027201, 2021）；精准合成具有周期性咬痕缺陷的石墨烯纳米带（Nano. Res., 15, 653–658, 2022）；以及共沉积不同前驱体分子精确调控纳米石墨烯的磁性基态（10.1016/j.cclet.2022.04.048）等。
        近日，蔡金明教授与吉林大学陈龙教授合作，又在氮掺杂石墨烯纳米带的微观结构表征和能带结构调控机理方面取得了重要进展，工作以《On-Surface Synthesis of Nitrogen-Doped Graphene Nanoribbon withMultiple Substitutional Sites》为题在线发表在《Angewandte Chemie InternationalEdition》（中科院双一区Top期刊, IF = 15.33)上。

         异质原子掺杂是调控能带结构的有效手段，其中氮原子因其电子受体特性被人们广泛用于石墨烯纳米带的掺杂体系当中。然而，不同氮原子掺杂位点（石墨氮和吡啶氮）对石墨烯纳米带能带结构的调控作用，目前尚未给出十分明确的机理解释。本论文利用精准设计的氮掺杂前驱体分子，通过精确调控实验参数，成功在Au（111）表面合成了多位点氮掺杂的石墨烯纳米带（GNRs）。由于前驱体分子吸附构型的变化，合成的GNRs中含有两种类型的氮原子（吡啶氮和石墨氮）。通过STM和NC-AFM技术表征，对不同氮原子掺杂位点进行了精确的识别。电学性质的详细研究证实，与本征的GNRs相比，吡啶氮会略微扩大GNR带隙，而石墨氮会在费米能级附近引入两个类金属性质的缺陷态。第一性原理计算结果显示，吡啶氮原子作用在GNR外侧，其作用相当于碳原子加氢原子，故对该GNR的能带结构影响较小；而石墨氮原子作用在GNR内部，由于它比被替换的碳原子多一个电子，对GNR的能带结构产生本质的影响（金属性）。这项工作通过实验与理论结合，揭示了不同氮掺杂位点对GNRs能带结构调控作用的本质,为石墨烯应用于半导体器件提供了更多途径和依据。
        本论文样品制备与STM、AFM表征，以及理论计算模拟主要在昆明理工大学完成，分子由吉林大学团队合成。昆明理工大学为论文的第一作者单位，我校蔡金明教授，卢建臣副教授和高蕾副教授，以及吉林大学陈龙教授为共同通讯作者。我校博士研究生张永，卢建臣副教授，硕士研究生李佰锦以及吉林大学博士生李阳为共同第一作者。成果得到了国家自然科学基金项目、云南省基础研究计划项目、中国科学院战略先导项目和东莞市创新团队的资助。
         论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202204736