程春团队在纳米科学与技术领域取得多项进展

frogs

南方科技大学材料科学与工程系（简称“材料系”）副教授程春课题组在智能系统、能源器件、二维材料生长等多个领域取得多项研究进展。相关成果发表于Advanced Intelligent Systems、ACS Nano、ACS applied Materials & Interface、Energy Storage Materials。

多响应宏观软体机器人的制备与功能化设计

        单晶二氧化钒纳米线在68摄氏度时发生金属-绝缘相变，可产生约为~1%的轴向弹性应变，将其与高弹性的材料复合为双层结构即可构成高性能的弯曲式微型驱动器。然而如何将二氧化钒纳米线的优异驱动性能应用于宏观器件一直是一个难题。课题组2018届本科毕业生陈鹏程（现在华盛顿大学攻读博士学位）与2016届本科毕业生石润（现为2017级南科大-港科大联培博士）共同开发了一种间接制备工艺。他们首先利用水热法制备出超长且易于成膜的H2V3O8纳米线，采用三相界面法组装得到取向排列的纳米线阵列薄膜并将其与碳纳米管(CNT)复合，再使用简单的退火工艺实现钒氧化物的相转化，得到二氧化钒纳米线阵列(VO2 NA)/CNT双层薄膜软体机器人。该机器人最大尺寸可达10厘米级，并展现出良好的驱动性能与各向异性。另外，可以用激光切割修饰软体机器人的形状，使其具备不同的驱动行为并实现不同的功能（如视频所示）。该成果以“Multistimuli‐Responsive Insect‐Scale Soft Robotics Based on Anisotropic Super‐Aligned VO2 Nanowire/Carbon Nanotube Bimorph Actuators”为题发表在Advanced Intelligent Systems上。
       Advanced Intelligent Systems 是国际知名出版商WILEY在2019年最新推出的在智能系统领域的旗舰期刊。陈鹏程和石润是该文章的共同第一作者，程春为唯一通讯作者。2019届本科毕业生孔德俊，2020届本科毕业生梁宇星、李恬然以及2017级本科生甘翊辰也参与了相关工作。

多级复合结构用于高性能锂硫电池正极材料

       近年来，锂硫电池作为新兴高性能储能器件备受关注，但锂硫电池的性能提升往往受限于多硫化物（LiPSs）较低的转化效率和在电解液中严重的穿梭效应，因此实现LiPSs的高效催化转化并抑制其穿梭效应对锂硫电池的进一步发展具有重要意义。程春课题组与其合作团队研发出一种具有三维多级结构的“树木耳”状碳化钼-石墨烯-氮掺杂碳泡沫 (GCF-G@Mo2C) 复合材料，将该材料与硫进行复合即可制得高性能的锂硫电池正极材料。这种复合材料的多级孔状结构和较高的氮含量可以分别通过物理限域和化学吸附的方式限制LiPSs的穿梭效应，同时包含的碳化钼的纳米颗粒可以为LiPSs的催化转化提供更多的活性位点，极大地提升锂硫电池的性能。该工作以“Freestanding agaric-like molybdenum carbide/graphene/N-doped carbon foam as effective polysulfide anchor and catalyst for high performance lithium sulfur batteries”为题发表在Energy Storage Materials上。
       Energy Storage Materials于2015年由知名出版商Elsevier推出，由中国科学院院士成会明任总编辑，近年来逐渐成为新能源与材料科学领域最具影响力的期刊之一。课题组研究助理教授牛树章和清华-伯克利深圳学院博士生张思伟为该文章的共同第一作者，程春为唯一通讯作者，南科大为第一通讯单位。

图1. GCF-G@Mo2C的制备过程及其在锂硫电池中的工作示意图

界面修饰优化钙钛矿太阳能电池性能

        反式钙钛矿太阳能电池中钙钛矿吸收层与C60之间存在的能级失配问题是制约钙钛矿太阳能电池发展的关键因素之一。为解决这一问题，课题组首次采用超薄的PCBM（~3 nm）来修饰钙钛矿吸收层与C60的界面，器件光电转换效率得到了显著的提升，并研究讨论了其优化机理。该研究以“Bifunctional Ultrathin PCBM Enables Passivated Trap States and Cascaded Energy Level toward Efficient Inverted Perovskite Solar Cells”为题发表于ACS applied Materials & Interface。课题组访问学生李东阳，访问学者孔伟光及2018级南科大-哈工大联培硕士生张海超为论文的共同第一作者，程春和华南师范大学半导体科学技术研究院研究员李述体为论文的共同通讯作者，南科大为第一通讯单位。

图2. 界面修饰优化反式钙钛矿太阳能电池性能

氧化物抑制层辅助二维MoX2 (X=S, Se, Te)单层的可控生长

       高质量钼系硫族化合物单层材料的CVD生长一直受限于难以控制的化学动力学条件，其中最为重要的是对于Mo蒸汽释放的合理调控。近日，课题组在传统的MoO3-S反应体系中，创造性地使用高温稳定的惰性氧化物覆盖住Mo源,抑制了高浓度的Mo蒸汽在升温时的快速挥发过程，使其以一个较低的浓度缓慢、均匀地进入到反应体系中，以制备出高质量的单层MoS2薄膜，其尺寸可达厘米级。另外，研究人员通过改变氧化物的用量可以直接改变Mo:S比以实现对产物成分、尺寸以及层数的有效控制。此外，这一氧化物辅助的生长策略也可以被用于MoSe2和MoTe2的优化生长。该成果以“Oxide Inhibitor-Assisted Growth of Single-Layer Molybdenum Dichalcogenides (MoX2, X=S, Se, Te) with Controllable Molybdenum Release”为题发表在ACS Nano上。石润为本文的第一作者，程春与香港科技大学物理系教授王宁为本文的共同通讯作者，南科大为第一通讯单位。

图3. 氧化物抑制辅助MoX2生长反应的示意图与模拟图

        以上工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划纳米科技重点专项、广东省杰出青年自然科学基金、广东省电驱动能源材料重点实验室、广东高水平人才计划、深圳市基础研究学科布局、深圳市孔雀团队等项目的经费支持。同时也得到了南方科技大学公共分析测试中心（CRF），材料系公共测试平台以及香港科技大学材料测试制备中心（MCPF）的设备支持。

供稿单位：材料科学与工程系

通讯员：周斌

编辑：吴一敏

主图设计：丘妍

       文章来源：南方科技大学

       程春，南方科技大学教授。在香港科技大学纳米科学与技术项目获得博士学位（2009）。他在香港科技大学物理系（2009-2011）及加州大学伯克利分校与劳伦斯伯克利国家实验室（2011-2013）进行博士后研究。2013年加入南方科技大学，现为南方科技大学材料科学与工程系独立课题组负责人、Tenure序列副教授(研究员)，校教学指导委员会委员，国家重大研究计划纳米专项、深圳市孔雀团队等项目核心科学家。入选国家科技部重点领域创新团队和深圳市“孔雀计划”B类人才，广东省自然科学基金“杰出青年”项目和广东省“优秀青年教师”人才培养计划项目资助，荣获广东省“南粤优秀教师”、广东省科技创新“青年拔尖人才” 、深圳市“优秀教师”等称号和深圳市“青年科技奖”。