中国科学院金属研究所刘畅

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刘畅，中国科学院金属研究所研究员，博士生导师，主要从事碳纳米管的制备、性能与应用探索研究。已发表SCI收录论文160余篇，被引用12000余次。获得专利授权40余项。在国际、国内学术会议上作邀请报告40余次。


刘畅
性　别        男        最高学历        博士研究生
职　称        研究员        专家类别        博士生导师
部　门        沈阳材料科学国家（联合）实验室 先进炭材料研究部
通讯地址        辽宁省沈阳市沈河区文化路72号，中国科学院金属研究所，先进炭材料研究部
邮政编码        110016        电子邮件        cliu@imr.ac.cn
电　话        +86-24-83978280        传　真        +86-24-23903126
简历：
教育简历：
1989.9-1993.6  武汉工业大学（现武汉理工大学）  无机非金属材料专业  工学学士
1993.9-1996.6  武汉工业大学（现武汉理工大学）  无机非金属材料专业  工学硕士，导师：闫玉华教授
1996.9-2000.6  中国科学院金属研究所  材料学专业  工学博士，导师：周本濂院士、成会明研究员
工作简历：
2000.07-2001.06  中国科学院金属研究所  助理研究员
2001.07-2005.03  中国科学院金属研究所 沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部  副研究员
2005.04-现在  中国科学院金属研究所 沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部  研究员
2011.06-现在  中国科学院金属研究所 沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部  副主任
2004.07-2005.09  日本国立材料科学研究所 国际青年学者中心  Research Fellow
2010.04-2010.05  芬兰Aalto大学 应用物理系  高级访问学者
研究领域：
　　碳纳米管的制备、性能及应用。
承担科研项目情况：
　　主要从事碳纳米管的制备、性能与应用探索研究。率先提出了宏量制备单壁碳纳米管的氢电弧方法，利用氢在高温下对无定形炭等杂质的刻蚀作用，获得纯度高、结构完整性好的单壁、双壁碳纳米管及其宏观绳状结构（Adv Mater 2000; Carbon 1999, 2005）；利用金属性和半导体性单壁碳纳米管在化学稳定性上的差异，提出了氧辅助浮动催化剂化学气相沉积法生长半导体性单壁碳纳米管，直接制备得到半导体性碳纳米管含量达到90%的宏量样品（JACS 2011; Carbon 2010）；建立了一种碳纳米管生长机制的透射电镜原位研究方法，对比研究了金属和非金属纳米粒子催化生长碳纳米管的过程和机制，并率先提出非金属催化生长碳纳米管的气-固-固机理（Carbon 2009; JACS 2009 & 2011）；研究发现定向单壁碳纳米管绳具有优异的场发射性能，进而提出其二级增强场发射机制（APL 2005; JAP 2005）；首次设计制备出碳纳米管夹持金属原子链，理论和实验研究发现其具有量子化电导，为金属原子链的连接与集成提供了新途径（PNAS, 2010）；研制出具有优异倍率性能和良好循环稳定性的碳纳米管复合锂离子电池电极材料（Adv Energy Mater 2011; Adv Mater 2010; Chem Comm 2010），并获得了实际应用（转让专利：ZL200410021395.X）。
　　已在Proc National Acad Sci USA, Nano Letters, J Am Chem Soc, Adv Mater, ACS Nano, Chem Comm等国际期刊发表SCI收录论文100余篇，其中影响因子大于4.0的45篇，被引用4000余次。获得专利授权28项，其中包括美国和欧盟专利各1项；已有1项中国专利转让实施。分别在国际、国内学术会议上作邀请报告9次和4次。
　　（一）在碳纳米管的制备及生长机理研究方面：发明了制备高质量单、双壁碳纳米管及其定向长绳的氢电弧方法；提出了氧辅助浮动催化剂化学气相沉积法宏量、可控生长半导体性单壁碳纳米管；建立了一种碳纳米管生长机制的原位透射电镜研究方法。相关结果促进了碳纳米管的可控制备研究进展，深化了对碳纳米管生长机理的认识。
　　1）发明了氢电弧法，制备出高质量单壁碳纳米管及其定向长绳。
　　电弧放电法是制备碳纳米管的三种主要方法之一，但传统电弧法制备单壁碳纳米管存在产率低、杂质含量高等缺点。针对该问题，提出利用氢在高温下对无定形炭杂质的刻蚀作用及高热传导系数的氢气可压缩电弧、调节电弧温度场的特点，以氢气取代Ar作为缓冲气体；使用FeS等金属硫化物作为生长促进剂，提高单壁碳纳米管的产率；调整阴极和阳极夹角，优化碳纳米管生长过程中的气体及等离子流场，并实现制备过程半连续化。采用该氢电弧法宏量制备出高纯度、高结构完整性的单壁碳纳米管及其定向长绳（～20厘米）和高质量的双壁碳纳米管。该工作建立了一种可宏量制备高结构完整性的单壁、双壁碳纳米管及其定向长绳的有效方法，为国内外多家研究机构（包括NASA、MIT等）提供了高质量样品，促进了单壁、双壁碳纳米管的制备及相关性能研究。主要工作在Advanced Materials (2000，12：1190-1192), Carbon (1999，37：1865-1868；2005， 43：623-629)等期刊发表，并获得了美国、欧盟和中国发明专利。
　　2）提出了氧辅助浮动催化剂化学气相沉积法控制生长半导体性单壁碳纳米管。
　　半导体性和金属性碳纳米管的控制制备是当前碳纳米管研究的重点和难点之一，也是实现碳纳米管在电子器件中应用的瓶颈和关键。利用金属性和半导体性单壁碳纳米管在化学稳定性上的差异，提出了氧辅助浮动催化剂化学气相沉积法宏量制备半导体性单壁碳纳米管。即在浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的过程中加入适量的氧，由于金属性碳纳米管的电离电势小、反应活性高，氧将优先原位刻蚀、去除生成的金属性碳纳米管，从而获得半导体性碳纳米管。利用该方法，已宏量制备出半导体性单壁碳纳米管含量达90%的样品。在此基础上，又提出利用硫生长促进剂与铁催化剂的低共熔作用调控单壁碳纳米管的直径，所得半导体性单壁碳纳米管的平均直径达到1.6 nm，明显大于商品化的HiPCO和 CoMoCAT单壁碳纳米管（~1.2 nm或更小）。有研究表明，这种大直径的半导体性单壁碳纳米管因具有适当的带隙、较小的接触电阻和高开关比而更适于构建场效应晶体管（FET）等电子器件。本工作提供了一种宏量制备大直径半导体性单壁碳纳米管的方法，为单壁碳纳米管在FET等电子器件中的应用奠定了材料基础。结果在Carbon (2010, 48:2941-2947)和Journal of the American Chemical Society（2011, 133：5232-5235）发表。
　　3）建立了一种碳纳米管生长机制的原位透射电镜研究方法。
　　准确认识和把握碳纳米管的生长机理对其高效、可控生长至关重要。但由于碳纳米管生长过程的影响因素较多，且生长条件较为苛刻（如高温、反应气氛等），其生长机理至今仍不十分清楚。近期，提出了一种在透射电镜下原位研究碳纳米管生长过程和机制的新方法：首先采用阳极氧化铝模板法制备两端开口且直径、长度可控的碳纳米管；在其管腔内选择性填充催化剂粒子；将填充催化剂粒子的碳纳米管置于透射电镜下，利用TEM-STM样品台在单根碳纳米管两端施加电流，产生的焦耳热可提供碳纳米管生长所需的温度，即以该碳纳米管作为“纳米管式炉”；阳极氧化铝模板法制备的碳纳米管的结晶度较差，在电子束辐照和热扩散作用下可提供碳源；因而碳纳米管可在预置的催化剂上生长，从而实现原位观察和研究碳纳米管的生长过程及机制（图1为示意图）。采用该方法对比研究了Fe、SiOx等不同类型催化剂生长碳纳米管的过程。提出了非金属催化生长碳纳米管的气-固-固（VSS）机理，且氧在碳纳米管生长过程中发挥重要作用。其明显不同于传统金属催化剂的气-液-固生长机制，这表明非金属催化剂可为碳纳米管的结构控制生长提供新的途径。在该思想指导下，近期通过调控SiOx纳米粒子的尺寸和结构，生长出不含金属杂质的双壁碳纳米管；以叠杯状氮化硼纳米纤维为催化剂生长出单壁碳纳米管，且其直径集中于氮化硼层间距的整数倍。部分结果发表在Journal of the American Chemical Society (2011，133：197-199)和Carbon (2009, 47: 670-674)上。
　　（二）在碳纳米管及其器件的性能研究方面：发现定向单壁碳纳米管绳具有超低的场发射阈值、优异的场发射稳定性，进而提出了碳纳米管宏观绳的二级增强场发射机制，为高性能场发射材料的设计与制备提供了启示；设计制备出碳纳米管夹持金属原子链，发现其量子电导特性，为金属原子链的连接和集成提供了新途径，同时表明碳纳米管可作为纳米尺度的电、力传导材料在纳米结构和器件的构建中发挥重要作用。
　　1）考察了定向单壁碳纳米管的场发射性能，提出了碳纳米管宏观绳的二级增强场发射机制。
　　研究了氢电弧法制备的定向单壁碳纳米管绳的场发射特性，发现其场发射阈值电场比无序排列的单壁纳米碳管低一个数量级，且具有优异的大电流密度承载能力和场发射稳定性；实验研究与理论计算相结合，提出了定向单壁碳纳米管绳的二级增强场发射机制，即其场增强因子（β）取决于：（a）定向单壁碳纳米管的尖端形貌、直径和管间距（β1）；（b）宏观长度碳纳米管绳的长径比（β2），且β= β1×β2；该二级放大模型得到了实验结果的验证与支持。本研究为高性能场发射材料的设计与制备提供了启示，并为定向单壁碳纳米管绳在场发射器件中的应用提供了科学依据。主要工作在Applied Physics Letters (2005，86：223114)，Journal of Applied Physics (2005, 98: 044306), Journal of Materials Research (2003, 18, 2188-2193)等期刊发表。
　　2）设计制备出碳纳米管夹持金属原子链，发现其量子电导特性。
　　“金属原子链”是仅由一到几列金属原子构成的一维结构。理论与实验研究表明，金属原子链具有独特的量子传输和量子磁阻效应等，可望在纳电子器件和电磁器件中获得应用。但制得的金属原子链通常悬于宏观尺度的电极之间，这使得金属原子链与其它纳米结构和器件的连接、集成十分困难。利用碳纳米管的独特结构与性能，设计并制备了一种碳纳米管夹持金属原子链结构，实现了金属原子链与碳纳米管的有效连接，为金属原子链的装配提供了新途径。该工作利用碳纳米管的纳米尺度中空管腔，填充和承载金属纳米棒并保护其不被氧化；进而在透射电镜下通过电子束辐照选择性剥离包覆金属纳米棒的碳层，并利用样品局部的热应力或STM-TEM样品台原位施加的拉应力拉伸金属纳米棒，制备碳纳米管夹持金属原子链；利用高分辨TEM和第一原理计算研究了铁原子链的形成过程，发现表面能驱使的沿（110）面的滑移和扭折是其形成的重要机制；原位研究了碳纳米管夹持铁原子链器件的电输运特性，发现其电导呈量子化（图2）；利用第一原理方法研究了碳纳米管夹持金属原子链的电子结构，发现二者形成牢固的共价键结合，且铁原子链具有半金属特性。将碳纳米管夹持铁原子链的制备思路延伸至及其它金属，成功地制备出碳纳米管夹持的FeNi合金原子链及铂原子链器件。本工作为金属原子链的制备和集成提供了新思路，所制备的碳纳米管夹持金属原子链可望在纳电子和自旋电子器件中获得应用。同时，该研究表明由于具有独特的准一维中空管状结构、优异的电学、力学性能和良好的结构稳定性，碳纳米管可作为纳米尺度的电、力传导材料等在纳米结构和器件的构建中发挥重要作用。主要工作在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Stated of America (2010, 107: 9055-9059)发表。该论文被中国科学技术信息研究所评选为2010年“中国百篇最具影响国际学术论文”之一。
　　（三）在碳纳米管的应用研究方面：利用碳纳米管网络的导电、导热功能特性及碳纳米管中空管腔的限域效应等研制出高性能碳纳米管复合锂离子电池电极材料，并获得实际应用。
　　锂离子电池是目前应用最广泛的二次电池，但其容量、大电流充放电能力、循环寿命、安全性等仍需进一步提高以满足在电动汽车、高端通讯设备、电动工具等领域的应用需求。碳纳米管具有长径比大、内部中空、强度高、韧性好、导电导热性好等结构和性能特点，是一种理想的结构/功能增强材料，而且准一维的碳纳米管易于相互搭接形成网络结构。利用碳纳米管网络的导电、导热功能特性及碳纳米管中空管腔的限域效应等，研制出高容量、大功率、长循环寿命的碳纳米管复合锂离子电池电极材料：在商用石墨负极中添加2-5wt.%的碳纳米管，有效提高了锂离子电池的循环性能；研制出碳纳米管/硅/石墨球复合负极，其同时表现出高容量和良好的循环稳定性；设计制备了碳纳米管装填Fe2O3纳米颗粒负极材料，有效抑制了高容量活性材料的粉化、剥落；在石墨烯纸表面生长出碳纳米管垂直阵列，构建了无金属集流体的纯碳、柔性电极；近期还利用透射电镜下的原位操控平台开展了碳纳米管复合锂离子电池电极材料的储放锂机制研究。主要工作在Advanced Energy Materials (2011, 1: 486-490), Chemical communications (2010, 46: 8576-8578), Journal of Physical Chemistry C (2008, 112: 7767-7772; 2007, 111: 4740-4748), Electrochimica Acta (2006, 51: 4994-5000), Carbon (2006, 44: 2778-2784)和Journal of Physics D (2005, 38: R231-R252)等期刊发表。由于我们在先进储能材料方面的系统研究工作，应《Advanced Materials》编辑的邀请，撰写了长篇综述论文在Advanced Materials (2010, 22: E28-E62)上发表。
　　与此同时，还致力于推动碳纳米管复合锂离子电池电极材料的实际应用。以“一种改性的锂离子电池负极材料、负极及电池”专利技术（成会明，刘畅，张勇，张绪刚，李峰，王作明，ZL200410021395.X）入股组建深圳市金润能源材料有限公司，开展碳纳米管复合电极材料的产业化，推进其在锂离子电池中的实际应用（图3）。2011年该公司实现销售2384万元，净利润340万元。
社会任职：
　　（1）SCI收录期刊《新型炭材料》编委；（2）中国材料研究学会青年委员会第5-7届理事会理事
获奖及荣誉：
　　（1）国家自然科学二等奖（排名第三，2006）
　　（2）辽宁省科学技术一等奖（自然科学）（排名第二，2003）
　　（3）全国百篇优秀博士学位论文奖（2002）
　　（4）中国科学院院长特别奖（2000）
　　（5）辽宁省“百千万人才工程”层次人选（2011）
　　（6）中国百篇最具影响国际学术论文（2010）
　　（7）九三学社辽宁省十大中青年科技人才（2009）
　　（8）九三学社沈阳市十大科教英才（2012）
　　（9）Carbon Top Reviewer（2008）
　　（10）Carbon Top 50 Highly Cited Articles by China Mainland Authors （2006-2010）
代表论著：
　　(1) D. M. Tang, L. C. Yin, F. Li, C. Liu*, W. J. Yu, P. X. Hou, B. Wu, Y. H. Lee, X. L. Ma, H. M. Cheng*, Carbon nanotube-clamped metal atomic chain, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107 (20), 9055-9059, (2010).
　　(2) C. Liu, F. Li, L. P. Ma, H. M. Cheng*, Advanced materials for energy storage, Advanced Materials 22 (8), E28-E62, (2010).
　　(3) B. Yu§, C. Liu§, P. X. Hou, Y. Tian, S. S. Li, B. L. Liu, , F. Li, E. I. Kauppinen, H. M. Cheng*, Bulk synthesis of large diameter semiconducting single-walled carbon nanotubes by oxygen-assisted floating catalyst chemical vapor deposition, Journal of the American Chemical Society 2011, 133 (14), 5232-5235.（§共同第一作者）
　　(4) D. M. Tang, C. L. Ren, M. S. Wang, X. L. Wei, N. Kawamoto, C. Liu*, Y. Bando, M. Mitome, N. Fukata, D. Golberg*, Mechanical properties of Si nanowires as revealed by in situ transmission electron microscopy and molecular dynamics simulations, Nano Letters 2012, 12, 1898-1904.
　　(5) S. S. Li, C. Liu*, P. X. Hou, D. M. Sun, H. M. Cheng, Enrichment of semiconducting single-walled carbon nanotubes by carbothermic reaction for use in all-nanotube field effect transistors, ACS Nano 2012, DOI: 10.1021/nn303070p.
近期国际会议邀请报告：
　　(1) Chang Liu, Synthesis of semiconducting single-walled carbon  nanotubes by selective etching, 2012 A3 Symposium of Emerging Materials: Nanomateials for Energy and Environment, Sendai Japan, October 29-November 01, 2012.
　　(2) Chang Liu, Investigation on the growth of CNTs from SiOx and Fe2O3 nanoparticles by in situ TEM, The 5th Workshop on Nucleation and Growth Mechanisms of single-walled carbon nanotubes, Bandera USA, April 8-12, 2011.
　　(3) Chang Liu, Carbon nanotube clamped metal atomic chain: fabrication, structure and property, 2011 International Conference on Solid State Devices and Materials, Nagoya Japan, September 28-30, 2011.
　　(4) Chang Liu, Toward controlled synthesis of carbon nanotubes - approach and mechanism study, 2011 A3 Symposium of Emerging Materials: Nanomateials for Energy and Environment, Urumqi China, November 13-15, 2011.
　　(5) Chang Liu, Selective synthesis and growth mechanism of carbon nanotubes, Sino-germany Symposium on Functional Nanomaterials, Beijing China, September 2-4, 2011.
　　(6) Chang Liu, Controlled synthesis of carbon nanotubes: strategy, approach and recent progress, The 4th International Workshop on Functional Oxide Materials and Applications, Ningbo China, December 18-20, 2011.
　　(7) Chang Liu, Connecting carbon nanotube with metal atomic chain, 2010 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies, Honolulu USA, December 15-20, 2010.
　　(8) Chang Liu, Growth mechanism of carbon nanotube from SiOx and carbon nanotube-clamped metal atomic chain, The Fifth Sino-US Symposium on Nanoscale Science and Technology, Suzhou China, June 5-7, 2010.
近期获得专利：
　　（1）刘畅；喻万景；侯鹏翔；成会明，一种制备孔径可控、通孔阳极氧化铝膜的方法，ZL 200910012687.X，授权日：2012年1月4日。
　　（2）刘畅；张艳丽；王兆钰；成会明，氧化硅包覆单壁碳纳米管纳米电缆结构的合成方法，专利号：ZL 200810010444.8，授权日：2011年4月20日。
　　（3）刘畅；汤代明；成会明，一种用于制备氮化硼一维纳米结构宏观绳的装置，专利号：ZL201020010342.9，授权日：2011年2月9日。
　　（4）侯鹏翔；喻万景；李世胜；刘畅；成会明，氧化铁颗粒选择性填充在纳米碳管中空管腔内的方法，专利号：ZL200810229969.0，授权日：2011年8月10日。
　　（5）成会明；张宏立；李峰；刘畅；闻雷，一种硅化物纳米带/纳米片的可控制备方法，专利号：ZL 200810011088.1，授权日：2011年11月9日。
　　（6）刘畅；汤代明；成会明，一种锌-氧化锌复合纳米结构的制备方法，专利号：ZL200810010342.6，授权日：2010年12月1日。
　　（7）成会明；张宏立；李峰；刘畅；闻雷；英哲；王作明，“一种制备高容量锂离子电池负极材料的方法”， 专利号：ZL200710011683.0，授权日：2010年1月20日。
　　（8）刘畅；汤代明；成会明，“一种准一维氮化硼纳米结构的制备方法”，专利号：ZL200610046469.4，授权日：2009年8月12日

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单壁碳纳米管的结构可控制备是实现其优异物理化学性能和重要应用的关键。在化学气相沉积生长过程中，至少有12种生长参数会影响单壁碳纳米管的结构，如催化剂颗粒的组分和尺寸、碳前驱体的组分和流量、载气的种类和流量、反应促进剂和流量、预处理和生长温度、预处理和生长时间等。传统试错方法的效率较低，制约了特定结构单壁碳纳米管生长参数的筛选与优化。近年来，高通量与机器学习等数据信息技术已发展成为解决复杂问题的新科学研究范式，并逐渐被应用于新材料的研发中。

中国科学院金属研究所刘畅课题组与日本国立材料科学研究所等单位的合作者，结合高通量生长与机器学习方法，探索优化生长高质量单壁碳纳米管的工艺条件。采用组合掩模板和离子束沉积，在标记硅片上制备64种不同厚度的Co催化剂阵列；利用Raman光谱表征Co催化剂生长单壁碳纳米管的G、D模；利用Excel模板自动提取与生长参数对应的IG/ID平均值，建立数据库；训练和对比多种机器学习模型，发现随机森林的准确率较高；机器学习模型预测出最优的生长参数组合，再通过生长实验验证，获得高质量的单壁碳纳米管（IG/ID=138）及其制备工艺。高通量与机器学习组合方法显著提高了生长参数优化效率，1周内可以获得1000多组不同生长参数对应的单壁碳纳米管的结构数据。该方法有望应用于特定结构碳纳米管的控制生长中。