天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心

简介

　　天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心 (简称“纳米中心”)，是2016年年3月由天津大学第46届常委会批准建设的直属科研单位。2018年7月22日开始正式全面运行。作为一个新型国际化的研究机构，纳米中心得到了天津大学各级领导同事的关怀和支持。中心先后获批国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、天津市自然科学基金重点项目、天津市自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金(包含我校 2017年唯一一等博士后科学基金) 、中美国际合作基金以及国家重大研发项目等多项项目支持。2019年，纳米中心与明石创新产业技术研究院联合共建“天津大学⋅明石致远石墨烯(纳米)材料联合实验室”，获得明石创新技术集团的多项项目支持。同年，与北京718建立联合实验室并获得稳定企业研究经费资助。2022年，中心还与浪潮电子信息产业股份有限公司和中科院合肥物质研究院建立了合作研究项目。截止目前，纳米中心共获批各类横向、纵向科研项目总经费近五千万元。

　　此外，纳米中心获得诸如2018科技、韩国Park集团、天美日立高科、泰斯肯中国、苏大维格、卓立汉光、牛津纳米科学等多家企业针对中心学生持续的奖学金资助。

　　从正式挂牌至今，纳米中心已经成长为一个功能完善、设备齐全的国际化研究中心。目前中心共有50余名博士及硕士研究生，已培养博士后6名，其中3人入选“博士后国际交流计划引进项目”，每人获得40万元为期两年的国家博士后研究资助。在为学校储备优秀师资、节约人力资源成本投入的同时，也为学校博士后改革提供了重要的经验。与此同时，中心的科研工作正在全面有序地展开。截止2023年2月，已发表学术论文90余篇，包括SCI文章80篇(二区及以上刊物63篇)，包括Phys. Rev. Lett.，Nat. Nanotech.，Nat. Mater.，Nano lett.，Nat.Comm.，ACS Nano，Anal.Chem.，Appl. Catal. B, Phys. Chem. Chem. Phys.等。申请发明专利20余项，国际专利1项，软件著作权1项。

目标与使命

　　打造石墨烯电子学与团簇物理学领域世界一流的国际化研究平台，为祖国培养锐意进取敢为人先、具有科研创新精神的研究型人才，瞄准世界科学前沿，服务国家重大技术需求，力争取得世界一流的研究成果。

研究方向

　　外延石墨烯电子学：从SiC单晶到电子学器件——外延石墨烯器件的制备与研究

　　外延石墨烯是一种超高纯石墨烯，它是在感应加热炉中将碳化硅单晶加热到高温后在碳化硅表面生长形成的。外延石墨烯纳米电子学可充分利用电子的波动性，因此极有可能成为未来量子计算硬件制造所需的理想材料。同时，外延石墨烯电子学器件还具有远低于传统硅电子学器件的功耗，及显著提高的运行速度。其最为工业界瞩目的一大特点是外延石墨烯纳米电子学器件可在传统器件工艺基础上稍加改进即直接投入生产，无需再额外开发全新的制备工艺。因此，外延石墨烯纳米电子学器件具有极大的实用价值和推广潜力。目前，纳米中心已实现了从碳化硅晶柱到300微米晶片的切割、磨抛、氢刻蚀等工艺流程，并成功实现了外延石墨烯电子学器件的加工和测量全流程工艺。

团簇物理学：完全自主研发大型谱仪装置的搭建

　　团簇是几个或几十个原子组成的微观聚集体，其尺寸一般小于5纳米。纳米中心基于自由团簇的研究工作是以探索其独特的电学、磁学、催化等方面的性质为出发点，并以相关研究成果服务于先进的电子设备及新型催化水解器件的研发为最终目的而展开的。

　　为了深入系统地研究自由团簇的电子结构、高激发态寿命及其内壳层的电子结构，我们自主设计并建造了三套自由团簇研究系统、一套基于质量选择的团簇沉积系统以及超高真空及环境控制的二维材料在线生长与慢电子衍射及俄歇电子谱联用的系统。值得骄傲的是，以上四套研究系统全部由中心自主研发设计、在国内完成生产加工并完全由中心师生安装及调试运行。其中，基于小型静电离子储存环用于高分辨全谱测量的光电子能谱仪系统的设计构想是由中心执行主任马雷教授于2015年9月首次提出的。该系统的建成标志着世界上第一用于自由团簇全谱光电子能谱测量的储存环系统的诞生。同时，该系统是我国第一台拥有完全自主知识产权的储存环系统，其工艺水平和分辨率将赶超欧洲的同类大型设备，填补国家在该领域完全自主研发和建造大型仪器的空白。

基于微纳加工技术制备的柔性电子器件开发研究

　　柔性电子器件以其独特的柔性和延展性，并兼具电学的功能性，在生物医学工程，新能源，环境，信息，国防等领域具有广泛的应用前景。基于此，本中心利用微纳加工技术，基于一维纳米银线，二维石墨烯纳米片，以及利用生物质材料还原氧化石墨烯等材料的高分子功能化复合材料，应用于柔性电子器件和能源存储器件以及气体传感器中。本方向已成为交叉学科中的研究热点和重点内容。目前该方向已经合作的横向课题经费达数百万元。

基于扫描电化学池显微镜（SECCM）的催化机理研究

　　扫描电化学池显微镜（SECCM）由Unwin于2010年提出，其使用填充电解液和准参比对电极的纳米管做探针，通过探针末端形成的弯月形液滴与样品的程序性接触来绘制待测样品的形貌图像和电化学性质图像。这一技术，通过液滴与基底接触时的形态变化，使用交流电正弦调制作为反馈信号，实现反馈微观结构的电化学性质。中心利用自主研制的探针和最小化应用电压方案，已经实现了横向2 nm的高分辨成像，有效解决了SECCM高分辨成像中液滴针尖的稳定性问题。目前，中心已将这种高分辨技术应用到多个研究体系中，包括金纳米片、金纳米颗粒、石墨烯等。经过十几年的发展，SECCM的应用也越来越广泛，这种技术为电化学测试领域提供了更加广阔的前景。

关于太阳能分解水制氢技术的研究

　　利用太阳能和水资源产生可储存的氢燃料，已成为当今社会实现“绿色发展”，大力开发新能源的主要趋势之一。通过自发的光电化学（Individual spontaneously photoelectrochemical, ISPEC）水分解将太阳光转化为可储存的氢能，就像一种“人工树叶”的“人工光合”作用，是非常重要且具有巨大前景的太阳能储存为氢能的方式。中心致力于通过微加工工艺实现“催化剂-光吸收器-离子交换通道”集成一体的单片无线式光电化学分解水制氢器件，该设计避免了以前三者需要组装、连线才能使用的复杂过程，使得高效率太阳能转化氢能器件的结构更为简单化。我们使用价格低廉的非晶硅光伏材料作为器件的光吸收层，能够大幅降低器件的生产材料成本，有望实现大面积批量加工制备。另外，并联阵列结构设计保证了器件可连续稳定高效工作。在未来，可以将ISPEC集成器件与微型储能器件例如微型氢燃料电池、微型超级电容器等集成耦合联用，实现闭环式自供电自产能体系。

基于太赫兹超材料器件的开发研究

　　电磁超材料是具有人工周期性排布与特殊结构设计的器件，能够表现出传统材料所不具备的独特电磁性能。太赫兹波位于远红外和微波之间，在物理学、材料科学、生物医学等领域有极强的应用潜力。然而，由于技术障碍，太赫兹研究起步较晚等问题，出现了“太赫兹Gap”，制约了该领域的进一步发展。为了解决这一问题，中心借助超材料思路给出高质量太赫兹器件的解决方案，采用有限元仿真等方法进行仿真优化，并基于中心强大的加工能力来实现太赫兹超材料的独立制造。近期，中心的研究聚焦点包括：柔性全介质太赫兹超材料器件研究、太赫兹电磁诱导透明超材料研究、超材料中准晶体周期性的研究以及分类与预测的机器学习在太赫兹超材料中的应用研究。

基于石墨烯及衍生物气体传感器的研究

　　气体传感器是一种检测环境中某种气体含量的电子设备，典型的气体传感器主要实际用于诸如氢气、氧气、二氧化氮、一氧化氮、硫化氢、氨气和甲烷等小分子气体，其应用领域众多，主要包括汽车电子、消费电子、可穿戴设备、智慧医疗、工业过程、环境监测等行业。微机电系统是一种利用微纳加工技术将小尺寸器件集成到一个芯片内部的高科技技术，所生产出的产品功能强大且便于携带。中心基于微机电系统制备出多气体探测芯片阵列，选用具有优异的热稳定性和耐酸碱腐蚀能力的石墨烯，制备得到的气体传感器具有更高的灵敏度、更快的响应速度、和更低的检测阈值。现阶段，利用CVD石墨烯制备的气体传感器可以在室温下实现对ppb 级浓度NO2和低浓度H2的秒级响应，利用热还原氧化石墨烯制备的气体传感器可以在室温下实现对NH3的快速响应，响应时间在10 s左右。该类器件所用的技术与现代微纳加工工艺的高度兼容性也使其具有极高的器件密度和在批量生产条件下更低的器件成本。

实验平台

　　纳米中心克勤克俭，分秒必争，在经费预算与计划时间内圆满地完成了建设目标。秉承打造最先进现代实验室的建设理念，纳米中心以功能为导向，集功能设计与实用美观于一体。合理的资金使用、科学的方案设计让纳米中心的科研与工作环境在较低的运行成本下达到了国际标准。纳米中心在建设过程中注重节能环保，采用高端防尘涂料、防静电地板、LED照明与双层防火玻璃来实现安全节能。纳米中心具有开放式实验室、功能完备的公共学习区及便捷的公共休息区，为科研人员提供了非常舒适的工作环境。纳米中心科研楼与天津大学青年湖的美景交相辉映。开放式环境符合纳米中心鼓励团队协作的设计理念。优良的工作环境、合作共赢的科研氛围让纳米中心的师生们能够始终以饱满的热情投身于激动人心的科学事业中。

国际论坛

　　2018年7月，天津大学纳米中心作为主办方举办了第一届天津国际外延石墨烯论坛。论坛以外延石墨烯为主题，邀请了来自中国、美国、德国、法国等多个国 家和地区的知名学者参会，共同探讨了外延石墨烯相关的前沿物理问题及纳米技 术的发展方向。2019年8月，由韩国Park Instruments赞助的京津冀纳米科技青年科学家论坛也将在天津大学纳米中心隆重举办。天津大学纳米中心始终以发展的眼光，合作共赢的态度走在世界科技发展的最前沿。

交流合作

　　纳米中心是一个主张共享与开放的研究机构。中心大型仪器的设计与建造全部由师生亲自动手完成。与此同时，中心积极推进与国内厂商的技术共享，为其提供全面的技术支持与产品性能提升的详细方案。目前已与多家厂商合作设计并改进了多台大型设备及组件。中心与厂商在合作过程中实现了互利共赢，不仅显著提升了多种产品性能，而且促使中心的学生得到了丰富的实践机会。

　　自创建以来，中心与精仪、机械、材料、化工、环境、理学院等学院在科研方面已开展了诸多合作。中心独有的技术工艺、齐全的表征设备为校内外科研同行提供了丰富便捷的公共测试服务，实现了设备仪器与技术工艺的全面共享。

石河子大学⋅天津大学纳米中心联合培养研究生

　　2023年，石河子大学与天津大学纳米中心计划招收4名全日制联合培养研究生，招生专业为070200物理学和081700化学工程与技术(双一流建设学科)。

　　石河子大学(Shihezi University)，简称“石大”，位于新疆石河子市(石河子市被评为全国最为宜居的花园城市，有绿洲明珠之称)，由金博宝最新官方网站查询网址 和新疆生产建设兵团共建，是国家“世界一流学科建设高校”、部省合作共建高校、国家“211工程”重点建设高校、国家“中西部高校综合实力提升工程”和“中西部高校基础能力建设工程”高校，入选国家“2011 计划”、卓越工程师教育培养计划、是国家西部重点建设十四所高校之一，为中西部高校联盟成员。

　　联合培养录取考生在石河子大学修满研究生课程学分后(一般为一个学期)来天津大学纳米中心开展课题研究，科研培养模式与天津大学全日制录取研究生一致。学习年限、学费、奖助学金、毕业与学位授予按照石河子大学硕士生培养和金博宝最新官方网站查询网址 的相关管理规定确定。

　　每月平均生活补助1000元，年底发放科研奖励绩效，实验室提供优秀的生活与工作环境，帮助解决住宿问题。

天津大学⋅明石致远石墨烯(纳米)材料联合实验室

　　纳米中心2019年与明石创新技术集团联合共建明石创新产业技术研究院，该院依托明石集团在实体产业、技术创新、创投资本等方面的资源优势，承担集团技术创新和新兴产业培育任务。该院于2019年1月经国家市场监督管理总局核准，落户设立在山东烟台，注册资金3亿元。明石创新产业技术研究院下设微纳传感系统、过滤分离技术、载人压力舱、水工装备、陶瓷新材料、管理创新6个专业研究院，以及环境工程、矿山工程、水利勘测、智能控制、陶瓷新产品5个设计院。该院近期成功入选了“2019中央引导地方科技发展专项”，参与发起设立了“中国先进制造业投融资服务联盟”，牵头建设的“山东省微纳传感技术与智能应用创新创业共同体”是山东省政府批准的全省首批5家省级创新创业共同体之一。

　　其中，明石创新(烟台)微纳研究院(简称微纳院)是明石创新产业技术研究院的核心研究院之一。2019年，纳米中心与微纳院联合共建了“天津大学⋅明石致远石墨烯(纳米)材料联合实验室”，开展有关微纳传感技术的创新与产业化研究和探索。该实验室是专业从事微纳传感技术领域设计、研发、测试、智能应用及产业孵化的创新型技术平台。

　　基于该联合实验室的科研建设和培养人才方面的需求，纳米中心计划于2023年定向招收非全日制硕士研究生6名，涉及专业为 085400电子信息和085600材料与化工。这些研究生为依托“天津大学⋅明石致远石墨烯(纳米) 材料联合实验室”定向招收，拟录取考生可与明石创新产业技术研究院签订定向培养协议，并按月资助生活费(全覆盖，一年级800元/月，二年级1000元/月，三年级1200元/月)，以及5000元/年奖学金(覆盖率可达100%) 。除此之外，学生可正常参评纳米中心的企业奖学金，一等4000元，二等3000元，三等1500元。毕业后，可直接至明石创新产业技术研究院报到从事相关的技术或研究工作，若违约应全额退还资助。

　　由纳米中心在保证教育质量的基础上，依据学校相关专业规定兼顾定向单位专业需求制定培养方案。毕业时，学校根据修业年限、学习成绩等，按照国家有关规定颁发相应毕业证书，其学业水平达到国家规定的学位标准，可申请授予相应的学位证书。

招生要求

　　(1) 物理学、应用物理学、光电子与光子学技术、材料、化学、微电子、电子工程学等理工科专业，动手能力较强者优先；

　　(2) 工作敬业、严谨、认真仔细、吃苦耐劳、责任心强，具有良好的沟通能力与团队合作精神。