北京大学工学院材料科学与工程系张艳锋

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张艳锋,北京大学工学院百人计划特聘研究员、博士生导师，北京大学前沿交叉学科研究院特聘研究员，国家优秀青年科学基金获得者。中科院物理所博士(2005)，日本东北大学博士后、日本学术振兴会(JSPS)外国人研究员(2006-2009)。2010年受聘北京大学“百人计划”特聘研究员，加入北京大学工学院材料系至今。主要从事二维原子晶体材料的可控制备和精确表征、新奇物理化学特性的探索，以及在能源等领域的应用研究。在Science, Phys. Rev. Lett, Nano Lett.等杂志发表论文80余篇。曾获全国百篇优秀博士论文（2007），中科院杰出科技成就奖（2005）等奖项。回国后获得了国家重大科学研究计划“量子调控”项目、国家自然科学基金面上/重大项目、国家优秀青年科学基金等项目的资助。目前承担的科研项目包括：国家自然科学基金面上项目一项、全国百篇优秀博士论文获得者科研启动经费一项、国家重点基础研究发展计划“量子调控”项目两项（其中一项担任课题组长，一项为科研骨干），国家优秀青年科学基金一项。


张艳锋博士、特聘研究员
材料科学与工程系特聘研究员
优秀青年科学基金获得者
联系电话：010-62751728
电子邮箱：Yanfengzhang@pku.edu.cn
个人主页：http://www2.coe.pku.edu.cn/subpage.asp?id=2543

教育经历：
2007－2009，日本学术振兴会（JSPS）外国人特别研究员，日本东北大学多元物质科学研究所
2006—2007，外国人研究员，日本东北大学多元物质科学研究所
2005—2006，国家纳米科学研究中心研究助理
2002—2005，理学博士，中国科学院物理研究所
1995—2002，理学学士、硕士，郑州大学物理工程学院

研究领域：
1) 低维纳米结构的可控生长，包括石墨烯、氮化硼、二硫化钼等；
2) 低维纳米结构原子分辨的形貌、电子结构、物理化学特性等；
3) 低维纳米材料主要是石墨烯的表面物理化学反应、能带调控以及输运特性等。

获得荣誉：
1.       2007年全国百篇优秀博士论文。
2.       2006年中国科学院(50篇)优秀博士论文。
3.       2005年中国科学院杰出科技成就奖，集体奖。
4.       2004年中国真空科学与技术硕士/博士优秀论文。

代表性学术论文 :
1.Zhiyu Zou, Lei Fu, Xiuju Song, Yanfeng Zhang* and Zhongfan Liu*, “Carbide-Forming Groups IVB-VIB Metals: A New Territory in the Periodic Table for CVD Growth of Graphene,” Nano Lett. 14 (2014) 3832−3839.
2.Qingqing Ji, Yu Zhang, Yanfeng Zhang* and Zhongfan Liu*, “Chemical vapour deposition of group-VIB metal dichalcogenide monolayers: engineered substrates from amorphous to single crystalline,” Chem. Soc. Rev. DOI: 10.1039/c4cs00258j.
3.Mengxi Liu, Yuanchang Li, Pengcheng Chen, Jingyu Sun, Donglin Ma, Qiucheng Li, Teng Gao, Yabo Gao, Zhihai Cheng, Xiaohui Qiu, Ying Fang, Yanfeng Zhang* and Zhongfan Liu*, “Quasi-Freestanding Monolayer Heterostructure of Graphene and Hexagonal Boron Nitride on Ir(111) with a Zigzag Boundary,” Nano Lett.14(2014)6342-6347.
4.Jianping Shi, Donglin Ma, Gao-Feng Han, Yu Zhang, Qingqing Ji, Teng Gao, Jingyu Sun, Xiuju Song, Cong Li, Yanshuo Zhang, Xing-You Lang*, Yanfeng Zhang* and Zhongfan Liu, “Controllable Growth and Transfer of Monolayer MoS2 on Au Foils and Its Potential Application in Hydrogen Evolution Reaction,” ACS Nano 8 (2014) 10196–10204.
5.Jingyu Sun, Teng Gao, Xiuju Song, Yanfei Zhao, Yuanwei Lin, Huichao Wang, Donglin Ma, Yubin Chen, Wenfeng Xiang, Jian Wang, Yanfeng Zhang* and Zhongfan Liu*, “Direct Growth of High-Quality Graphene on High-κ Dielectric SrTiO3 Substrates,” J. Am. Chem. Soc. 136 (2014) 6574–6577.
6.Yu Zhang, Yanfeng Zhang*, Qingqing Ji, Jing Ju, Hongtao Yuan, Jianping Shi, Teng Gao, Donglin Ma, Mengxi Liu, Yubin Chen, Xiuju Song, Harold Y. Hwang, Yi Cui and Zhongfan Liu, "Controlled Growth of High-Quality Monolayer WS2 Layers on Sapphire and Imaging Its Grain Boundary," ACS Nano 7(2013)8963-8971.
7.Qingqing Ji, Yanfeng Zhang*, Teng Gao, Yu Zhang, Donglin Ma, Mengxi Liu, Yubin Chen, Xiaofen Qiao, Ping-Heng Tan, Min Kan, Ji Feng, Qiang Sun and Zhongfan Liu*, "Epitaxial Monolayer MoS2 on Mica with Novel Photoluminescence," Nano Lett. 13(2013)3870-3877
8.Yabo Gao, Yanfeng Zhang*, Pengcheng Chen, Yuanchang Li, Mengxi Liu, Teng Gao, Donglin Ma, Yubin Chen, Zhihai Cheng, Xiaohui Qiu, Wenhui Duan and Zhongfan Liu*, "Toward Single-layer Uniform Hexagonal Boron Nitride–Graphene Patchworks with Zigzag Linking Edges," Nano Lett.13(2013) 3439−3443
9.Wei Yan, Mengxi, Liu, Ruifen Dou, Lan Meng, Lin Feng, Zhaodong Chu, Yanfeng Zhang*, Zhongfan Liu, Jiacai Nie, Lin He, Angle-dependent van Hove singularities in a slightly twisted graphene bilayer. Phys. Rev. Lett. 109(2012) 126801.
10.Yanfeng Zhang, Teng Gao, Yabo Gao, Shubao Xie, Qingqing Ji, Kai Yan, Hailin Peng, Zhongfan Liu, Defect-like structures of graphene on copper foils for strain relief investigated by high-resolution scanning tunneling microscopy. ACS Nano 5(2011)4014-4022.
11.Yanfeng Zhang, Jinfeng Jia, Tiezhu Han, Zhe Tang, Quantong Shen, Yang Guo, Ziqiang Qiu, Qikun Xue, Band structure and oscillatory electron-phonon coupling of Pb thin films determined by atomic-layer-resolved quantum-well states. Phys. Rev. Lett. 95(2005)096802.
12.Yang Guo, Yanfeng Zhang, XinYu Bao, Tiezhu Han, Zhe Tang, Lixin Zhang,; Wenguang Zhu, Enge Wang, Qian Niu, Ziqiang Qiu, Jinfeng Jia, Zhongxian Zhao; Qikun Xue, “Superconductivity modulated by quantum size effects”, Science 306(2004)1915-1917. (The first three authors contributed equally to this work) .

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2018年3月7日，北京大学工学院材料系张艳锋课题组在期刊Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-018-03388-5)在线发表题为“Batch production of 6-inch uniform monolayer molybdenum disulfide catalyzed by sodium in glass”的研究论文，报道了他们在大尺寸均匀单层MoS2 材料的可控制备和生长机理研究方面的最新进展。

单层半导体性过渡族金属硫属化合物（MX2: MoS2, WS2 等）是继石墨烯之后备受关注的二维层状材料。该类材料具有优异的电学性质、强的光物相互作用、高效的催化特性等，在光电子学器件、传感器件、电催化产氢等领域具有非常广阔的应用前景。单层MX2 材料的批量制备和高品质转移是关键的科学问题。现有方法仍面临着诸多重大挑战，例如，难以实现晶圆尺寸的层数均匀性、单晶畴区小、生长速度缓慢、生长衬底价格昂贵、转移过程复杂、容易引入污染物等。

北京大学张艳锋课题组是国内较早开展相关研究的课题组之一，在单层MX2材料的可控制备、精密表征和电催化产氢应用方面取得了一系列重要进展：基于范德华外延的机理，他们在晶格匹配的云母基底上首次获得了厘米尺度均匀的单层MoS2 (Nano Lett. 13, 3870 (2013)，他引198次)； 在蓝宝石上获得了大畴区单层WS2 (ACS Nano 7, 8963 (2013), 他引250次)；发展了一种新型的金属性箔材(Au箔)基底，实现了畴区尺寸可调单层MoS2的制备，借助STM/STS表征技术建立起了材料原子尺度的形貌/缺陷态、电子结构和电催化析氢之间的构效关系 (ACS Nano 8, 10196 (2014)，他引124次)。上述成果也受邀撰写综述文章(Chem. Soc. Rev. 44, 2587 (2015)，他引92次)。

最近他们在大尺寸均匀MoS2的批量制备以及“绿色”转移方面取得重要进展。他们选用廉价易得的普通玻璃作为基底，创新性地采用Mo箔作为金属源(与S粉共同作为前驱体)，采用“face-to-face”的金属前驱体供给方式，实现了前驱体在样品上下游的均匀供应，使得样品尺寸可以得到最大限度的放大(仅受限于炉体尺寸)，获得了对角线长度可达6英寸的均匀单层MoS2; 结合DFT理论计算和系统的实验结果发现，玻璃基底上微量的Na对材料生长起到明显的促进作用, Na倾向于吸附在MoS2畴区的边缘，起到显著降低MoS2拼接生长能垒的作用，从而促进其快速生长。 获取满覆盖单层样品的生长时间仅为8 min，单晶畴区边缘尺寸可达0.5 mm。此外，他们利用玻璃基底的亲水特性，发展了一种无刻蚀的、仅利用超纯水辅助的“绿色”转移方法。该方法适用于晶圆尺寸样品的快速转移，且具有操作简单，转移样品质量高等明显优势。该工作提出了利用廉价的普通玻璃基底来制备大面积、晶圆尺寸均匀、大畴区单层MoS2的新方法/新途径，并深入分析了其生长机制，为相关二维材料的批量制备和高效转移提供了重要的实验依据，对于推动该类材料的实际应用具有非常重要的意义。

6英寸普通玻璃上化学气相沉积法制备的均匀单层MoS2

文章通讯作者是北京大学工学院张艳锋研究员，第一作者是二年级博士生杨鹏飞。该工作也得到了北京大学信息科学技术学院陈清教授、工学院张青研究员，物理学院高鹏研究员，以及化学学院刘忠范院士的大力支持。理论部分的合作者是清华大学清华伯克利深圳学院邹小龙教授。该研究得到了国家自然科学基金委和科技部国家重点研发计划纳米科技专项等项目的资助。

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利用泡沫铜辅助的PECVD技术直接可控制备柔性石墨烯玻璃

苏州大学能源学院、能源与材料创新研究院的孙靖宇教授、刘忠范院士以及北京大学纳米化学研究中心的张艳锋研究员（共同通讯作者）等采用泡沫铜辅助的PECVD策略，利用柔性及超薄玻璃作为生长基底，成功实现大面积制备柔性石墨烯玻璃这种新型复合材料。论文的共同第一作者为硕士研究生魏南、李秋珵博士和丛珊博士。合作者包括苏州大学能源学院的邹贵付教授等。在低温条件下生长石墨烯可以实现低能耗，低成本的生长，可能实现批量化制备。这种方法通过改变生长温度、时间、前驱体和炉体尺寸即可调控石墨烯薄膜厚度、掺杂量以及生产规模。因此，可以简单地实现杂原子掺杂（如氮原子）石墨烯的生长和5.5英寸柔性石墨烯玻璃的制备。采用制备的柔性石墨烯玻璃作为钙钛矿太阳能电池的透明导电层和电解水析氢反应的活性电极，可直接应用于下一代柔性电子和储能设备。相关成果以“Direct synthesis of flexible graphene glass with macroscopic uniformity enabled by copper-foam-assisted PECVD”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。

本文提供了一种泡沫铜辅助PECVD技术直接制备大面积均匀的柔性石墨烯玻璃材料。通过调控生长温度，时间，载气比等生长参数及炉体尺寸，即可对所生长的石墨烯薄膜厚度，杂原子掺杂及制备规模进行调控，从而实现低温快速制备5.5英寸的柔性石墨烯玻璃。此外，还实现了在各种柔性基底（如柔性玻璃，云母，玻璃纤维等）上低温可控制备石墨烯。这种方法生长的石墨烯具有良好的导电性，均匀性和透光度，可直接应作柔性钙钛矿太阳能电池的透明导电层。在玻璃纤维上生长的氮掺杂的石墨烯可以用作电解水析氢反应的廉价活性电极。这为下一代直接集成柔性电子和储能器件的发展提供方案，且这种创新的方法可以延伸到在柔性基底上制备其他石墨烯相关材料，因此在可穿戴领域有着较为广阔的应用前景。

论文链接：Direct synthesis of flexible graphene glass with macroscopic uniformity enabled by copper-foam-assisted PECVD (Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 4813)。

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近年来，北京大学张艳锋研究员课题组在二维MTMDCs材料的可控制备、基本物性和应用研究方面取得了系列研究进展。基于化学气相沉积(CVD)法，他们在SiO2/Si基底上成功地获得了厚度为几个纳米、面内尺寸达几十微米的1T-VS2纳米片(Nano Lett. 2017, 17, 4908)。进而他们基于范德华外延的机制，首次在云母表面可控合成了超高电导率的金属性1T-VSe2，发现该材料是构筑二维材料场效应晶体管器件的理想电极材料(Adv. Mater. 2017, 29, 1702359)。与此同时，他们分别利用低压CVD法，在金箔上首次制备出了厘米尺寸均匀、具有特定厚度(4层)的2H-TaS2薄膜以及层数可调的纳米片，绘制了2H-TaS2电荷密度波相变温度随其层数变化的相图，发现了其超高的电催化析氢活性。进而在金箔上成功制备了晶圆尺寸的单层2H-TaSe2薄膜，以及层厚可控的纳米片(Adv. Mater. 2018, 30, 1804616)。此外，他们还在三维多孔金衬底上实现了1T-TaS2的垂直生长，研究了不同相态(2H/1T相)对于电催化析氢活性的影响 (Adv. Mater. 2018, 30, 1705916)。基于上述成果，张艳锋研究员受邀在Energy Technology撰写综述文章(DOI: 10.1002/ente.201801025)。系统总结了二维MTMDCs材料的三种制备方法（碱金属插层化学剥离法、胶体合成法和CVD法）。同时理论结合实验，阐述了二维MTMDCs材料在电催化析氢中的潜在应用。

具体而言，在二维材料的制备方面，常规的机械剥离方法产率低、可控性差、无法实现批量制备。最新发展的化学剥离、胶体合成和CVD等方法可实现二维MTMDCs纳米片的层数、畴区尺寸、相态的可控制备。研究发现通过改进原有的化学剥离法获得的微米级单层/少层MTMDCs纳米片，可作为高效的催化剂和性能优异的电极材料，应用于电化学产氢和超级电容器；同时MTMDCs的分散液可与打印技术结合用于电子器件的构筑。与此同时，具有可扩展性、操作简单、可批量等优点的胶体合成法，也被用于二维MTMDCs纳米片的制备。通过改变所用溶剂，可以合成具有分级结构的VS2纳米花，这种独特的结构显著提高了VS2在锂电池中的电化学性能。近年来，化学气相沉积方法也被引入到二维MTMDCs材料的可控制备中，旨在获得大面积、超薄、高质量二维MTMDCs纳米片或薄膜。这种制备方法兼顾了生长效率、生长成本和材料的晶体质量。例如，通过低压CVD法，在Au箔上可直接合成大面积均匀、且厚度可控的TaS2、TaSe2薄膜和纳米片，这种材料适用于超导、电荷密度波等基本物理问题的研究。在能源相关的应用上，二维MTMDCs材料也表现出高的电催化活性(与贵金属Pt等可比)，这主要归因于其丰富的活性位点(集中在边缘和表面)以及材料本身高的导电特性。总之，这些结果为发展高效析氢催化剂提供了新的研究思路和理想的材料体系。

这篇综述详细地论述了二维MTMDCs纳米片的制备方法，阐明了每种方法的关键影响因素，有助于加深人们对二维MTMDCs材料制备方法的理解。此外，从应用研究的角度，本文对二维MTMDCs纳米片的可控制备提出了新的要求并提供了可能的解决途径，期待未来能够在二维MTMDCs材料的制备方面取得突破性进展。同时，本文还提出了几种可能提升MTMDCs催化剂性能的方案，期待未来对该类材料的催化机理有更深入的探索。

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材料科学领域的权威杂志《美国化学学会纳米》在线刊发了工学院材料科学与工程系张艳锋教授课题组的研究论文“Epitaxial Growth of Centimeter-Scale Single-Crystal MoS2 Monolayer on Au(111)”，报道了该课题组在厘米级MoS2单晶薄膜的可控制备和生长机理方面所取得的最新研究成果。
       继石墨烯之后，单层/少层半导体性过渡金属硫属化合物（MX2: MoS2, WS2等）凭借其优良的半导体光电性质和良好的的热稳定性有望成为延续摩尔定律的候选材料之一。当前大面积集成化电子器件的快速发展对MX2材料的尺寸和质量提出了新的需求。目前化学气相沉积(CVD)法获得的MX2薄膜通常含有大量的畴区边界和晶格缺陷，这些缺陷态作为传导电子的散射中心大幅地降低了器件迁移率等基本物性。单晶材料具有高度一致的晶体质量，对于保证器件性能的均一性非常重要。然而，现有MX2单晶的尺寸仍局限在百微米至毫米量级，无法满足器件高度集成化与大规模应用的需求。因此要实现二维MX2器件的规模化应用，必须先突破大尺寸单晶的制备难题。

      北京大学张艳锋课题组是国内较早开展相关研究的课题组之一，在单层MX2及其异质结构的可控制备方面取得了一系列重要成果：他们基于范德华外延的机理，首次在晶格匹配的云母基底上获得了厘米尺寸均匀的单层MoS2薄膜（Nano Lett. 2013, 13, 3870）；继而创造性地采用普通玻璃作为基底，通过引入表面催化生长的新机制，把均匀单层MoS2样品的尺寸提升至目前最大尺寸（6英寸）（Nat. Commun. 2018, 9, 979）。为与原位的高分辨表征技术(STM/STS)和直接的电化学性能测试相兼容，他们还发展了基于多晶Au箔的制备体系，实现了畴区尺寸可调的单层MoS2的制备（ACS Nano 2014, 8, 10196; ACS Nano 2015, 9, 4017），二维材料层间异质结构（MoS2/Gr、MoS2/WS2和WS2/MoS2）的直接构筑（Adv. Mater. 2015, 27, 7086；Adv. Mater. 2016, 28, 10664），并将这一制备体系拓展至金属性2H-TaS2薄膜的可控制备（Nat. Commun. 2017, 8, 958）并揭示了其超高的电催化性能。
       基于课题组前期工作的积累，近日张艳锋教授在厘米级MoS2单晶薄膜的制备方面取得重要进展。他们通过熔融-固化法将多晶Au箔转化成厘米级Au(111)薄膜，并以此作为范德华外延的衬底，实现了单层MoS2纳米片的单一取向生长，获得了厘米级（1英寸）单晶单层MoS2薄膜。随后，采用低能电子衍射（LEED）、透射电镜（TEM）和扫描隧道显微镜（STM）等手段证实了MoS2晶畴的单一取向和无缝拼接特征。合作者北京大学信息学院的陈清教授课题组对于单晶材料的器件性能测试也进一步证实了单晶薄膜高的晶体质量。此外，他们与清华-伯克利深圳研究院邹小龙教授（共同通讯作者）合作，探索了MoS2单一取向外延生长的内在机制，发现Au(111)表面的台阶对MoS2畴区的取向具有显著的诱导作用，导致了MoS2沿<110>台阶边缘的成核与单一取向生长。总之，该工作发展了利用金属单晶衬底外延制备大面积单层MoS2单晶薄膜的新方法/新体系，并深入分析了其生长机制，为高质量二维材料的晶圆级制备提供了可能的方案和研究思路，对于推动半导体性二维材料的器件集成和实际应用具有重要意义。
       相关成果于2020年4月8日在线发表于学术期刊《美国化学学会纳米》（ACS Nano）上(DOI: 10.1021/acsnano.0c01478)，文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c01478。论文通讯作者是北京大学工学院张艳锋教授、清华-伯克利深圳研究院邹小龙教授和北京大学信息科学技术学院陈清教授，北京大学博士生杨鹏飞、潘双嫄和清华-伯克利深圳研究院博士后张树清为共同第一作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京自然科学基金、深圳市基础研究学科布局项目以及广东省引进创新创业团队计划等的资助。