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[知名校友] 中科大杨培东

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发表于 2018-3-21 14:22:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
杨培东,1971年8月出生于江苏省苏州市,国际顶尖的纳米材料学家,美国加州大学伯克利分校化学教授,上海科技大学物质科学与技术学院院长,美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士。
1993年杨培东获得中国科技大学应用化学学士学位;1997年获得哈佛大学化学博士学位;1999年至今在美国加州大学伯克利分校化学系任助理教授、副教授、终身教授、教授;2001年至2004年获得美国阿尔弗雷德斯隆奖;2003年被美国“技术评论”杂志列入世界100位顶尖青年发明家;2004年获得美国材料学会青年科学家大奖,杨培东是第一位获得该奖的中国人;2007年美国科学基金会授予他艾伦沃特曼奖;2011年入选汤森路透集团遴选的最优秀的100名化学家榜单中第十位,同时入选了10年中最优秀的100名材料科学家中第一位;2012年4月当选美国人文与科学院院士。2014年担任上海科技大学物质科学与技术学院院长。2015年9月获得美国麦克阿瑟天才奖。2016年5月当选美国国家科学院院士。
杨培东主要研究内容为一维半导体纳米结构及其在纳米光学和能量转化中的应用,包括人工光合作用、纳米线电池、纳米线光子学、纳米线基太阳电池、纳米线热电学、碳纳米管纳米流体、低维纳米结构组装、新兴材料和纳米结构合成和操控。

人物经历
1971年,杨培东出生在江苏省苏州市相城区元和街道蠡口社区。1985年,从江苏省首批示范初中蠡口中学考入江苏省木渎高级中学。
1988年6月,高考前一个月,在木渎中学高三(1)班就读的杨培东得了急性阑尾炎;7月高考时,他正常发挥,考了601分,全校第一,毕业后考入中国科学技术大学应用化学系。1992年,在校期间获得中国科学技术大学郭沫若奖学金。
1993年,赴美国哈佛大学求学(师从材料科学家查尔斯·李波(Charles M. Lieber))。1997年,获哈佛大学化学博士学位。
1997年,进入美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校进行博士后研究,合作导师为Galen Dean Stucky。
1999年,在完成了18个月的博士后研究,杨培东与大约20所美国顶尖大学面谈,最终得到近10所大学的工作邀请,他选择了加州大学伯克利分校,28岁时成为加州大学伯克利分校化学系的助理教授,独立负责一个实验室的科研工作。
2001年至2004年,获得美国阿尔弗雷德斯隆奖。2003年,被美国“技术评论”杂志列入“世界100位顶尖青年发明家”。
2004年,杨培东就受聘加利福尼亚大学伯克利分校化学系终身教授,在伯克利历史上,化学系只聘过两位华人科学家当终身教授,前一位是诺贝尔化学奖得主李远哲。2004年,获得美国材料学会(MRS)青年科学家大奖,杨培东是第一位获得该奖的中国人。
2005年,获得美国化学学会纯粹化学奖(ACSAward in Pure Chemistry)。
2006年,被聘为清华大学化学系教育部第七批长江学者奖励计划特聘教授。
2007年,杨培东获得美国全国科学基金会颁发的“艾伦·沃特曼奖”,在之后3年时间内获得50万美元的科研奖金。
2011年,杨培东当选为汤森路透集团依据过去所发表研究论文的影响因子而确定的“全球顶尖100名化学家”,并且居于榜单前列第10位,同时入选同一标准的“顶尖100名材料科学家”榜单的首位。6月29日,为中国科技大学培东实验基地、培东实验班揭牌。
2012年4月18日,当选美国艺术与科学院院士。10月9日,在匹茨堡召开的材料科技会议上获得爱德华·奥尔顿奖(Edward Orton)。
2013年,入选2013年度中国科学院“海外评审专家”。
2014年4月28日,当选上海科技大学物质科学与技术学院院长。
2015年,获美国麦克阿瑟基金会2015年度天才奖。
2016年5月,当选美国科学院院士。杨培东牵头的纳米能源材料研究所暨天际创新中心落户苏州工业园区。

主要成就
科研成果
杨培东的小组在半导体纳米线方面的研究,一直处在领跑这个领域的地位。杨培东在纳米线、原子组装等方面进行了“开创性研究”,并有望应用于一系列高技术设备,如计算机电路、新型太阳能电池板以及生物传感器等。
2001年6月,《科学》报道说,杨培东的研究小组在只及人类头发丝千分之一的纳米导线上制造出了世界上最小的激光器——纳米激光器,这一发明将有可能用于未来的光子计算机。
2002年2月,杨培东领导的小组在美国《纳米通讯》杂志上报告说,他们已成功地找到一种制造“多层结构”纳米线的方法,能够使硅和锗这两种不同的材料交织组成单根纳米线。这些线的尺度在纳米水平,最细的达到20纳米。
2003年4月,英国《自然》杂志刊登了杨培东研究组发表的单晶体氮化镓纳米管论文。这种纳米管耐久、性质一致,有优良的光电性能。
2005年6月,杨培东及其合作伙伴Majumdar研发出世界上第一个液体纳米晶体管。
2011年,美国《科学》报道了杨培东的杰出成就,这篇题为《青云直上》的文章写道,最精细的半导体导线使杨培东大奖不断。
2014年4月17日,杨培东团队在人工光合作用方面取得划时代(Game-Changing)的科研成果。
2016年,在《Science》杂志发表论文《Self-photosensitizationof nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production》报告了一种将非光合作用的细菌改造成一种可以进行光合作用的系统。
杨培东“栽种”的氮化镓和氧化锌纳米线能发射紫外线光,有助于“芯片上的实验室”迅速而廉价地分析医学、环境和其他取样。由于在生长过程中引进不同的蒸气,杨培东改变了纳米线的成分,使它形成硅和半导体硅锗的界面,其早期用途是对计算机芯片的冷却。此外,这类器件还有可能最终发展成为高效的能源,从汽车废热或太阳热量中产生电能。
杨培东教授在纳米导线方面的开创性研究,使一系列高技术设备显示出了广泛的应用前景,包括从微型发光二极管、激光器,到晶体管、太阳能板等广泛领域 。
人工光合作用、纳米线电池、纳米线光子学、纳米线基太阳电池、太阳能转换为燃料用纳米线、纳米线热电学、碳纳米管纳米流体、等离子体、低维纳米结构组装、新兴材料和纳米结构合成和操控、材料化学、无机化学,以及低维纳米结构在光电等能源领域中的应用等。
根据美国科学信息研究所的统计,从1997年至2007年的论文引用次数看,杨培东论文平均被引次数超过150次,是仅居其次的科学家的两倍,在全球材料科学家中列第一。



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发表于 2018-3-22 09:37:54 | 显示全部楼层
最近,美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的杨培东教授团队就从失败的实验里找到了一项很有意思的发现——在阴凉时透明而在阳光强烈时颜色自动变深的“智能窗”,不仅如此,它还能利用太阳能发电。相关论文发表在Nature Materials 上,共同第一作者为杨培东课题组的Jia Lin博士、博士生Minliang LaiLetian Dou博士(现任普渡大学助理教授)。

能自动转换颜色和发电的“智能窗”

能自动转换颜色和发电的“智能窗”
能自动转换颜色和发电的“智能窗”

杨培东教授是著名的材料学家。1993年毕业于中国科学技术大学,1997年获得哈佛大学化学博士学位,1999年至今在美国加州大学伯克利分校任教。2012年当选美国人文与科学院院士,2015年9月获得美国“麦克阿瑟天才奖(MacArthur Fellow)”,2016年5月当选美国国家科学院院士。熟悉杨培东教授的读者可能都知道,他的课题组研究领域主要在于一维纳米结构及其在光学和能量转化中的应用,包括人工光合作用、催化、太阳能电池等。他们2005年发表的一篇“纳米线染料-敏化太阳能电池”研究论文,截止目前引用次数达到惊人的4538次,这在近十几年的化学材料领域的研究论文中名列前茅。这次杨培东教授的研究领域又延伸到“智能窗”了?一切还是要从那个失败的实验说起。

杨培东教授的卡通造型

杨培东教授的卡通造型
杨培东教授的卡通造型(左)和本人照片(右)

其实,研究人员最初并没有想着开发一种热致变色的太阳能“智能窗”,而是在研究钙钛矿太阳能电池中材料的相变,他们期望通过使用铯离子代替甲基铵离子来提高甲胺铅碘(MAPbI3)钙钛矿的稳定性。钙钛矿是目前光伏领域的热门研究方向,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池成本低、容易制备、效率高,阻碍钙钛矿太阳能电池取代传统硅基电池的最大问题就是“稳定性”。结果,材料的“化学稳定性显著提高,但不幸的相稳定性较差,”Letian Dou博士说。[4] 他们的铅碘溴化物(CsPbI3−xBrx)材料在两种光电子性质差别巨大的相之间变化,室温下的非钙钛矿相(low-T相)和高温下的钙钛矿相(high-T相)。一旦材料转变为low-T相,光伏性质就会显著降低。

Letian Dou博士说,“这可不是个好结果。不过好在我们最后将其转变成了有用且独特的发现”。原来,研究者们发现通过加热可以完成从low-T相到high-T相的转变,材料也从无色透明变成橘红色。更有意思的是,这种变化的可逆性也不错,在潮湿环境中,水蒸气在室温下即可高效率地促进材料由high-T相转变为low-T相。在经过100个相变的可逆循环后,钙钛矿的成分几乎没有发生变化(以CsPbIBr2为例)。于是他们设想,这种有意思的热致变色现象,是否可以应用于智能窗呢?

铯铅碘溴化物钙钛矿相变及结构和性质变化

铯铅碘溴化物钙钛矿相变及结构和性质变化
铯铅碘溴化物钙钛矿相变及结构和性质变化。

“智能窗”是一个研究了多年的课题,一般通过能变色的玻璃来调控窗户的透光率从而控制室温降低能耗,常见的方式包括电致变色、热致变色以及使用液晶材料。而半透明光伏器件可以制成产能玻璃,可以提供能量输出,却不能改变颜色。将二者合一的想法也有,十几年前就有人发明了可调节透明度的光伏玻璃,策略是在半透明太阳能电池中加入额外的变色成分。本文的研究者发现他们的热致变色无机钙钛矿材料正好弥补了空白,一种材料即可实现热致变色和太阳能发电两种功能。

研究者随后基于这种铯铅碘溴化物钙钛矿制备了倒装结构全无机太阳能电池器件。器件中的钙钛矿材料为low-T相时,电池器件呈半透明;而在high-T相时,电池器件呈橘红色(下图f)。毫不意外,high-T相和low-T相时的器件光伏性能差别巨大。基于CsPbIBr2的电池器件在high-T相时,能量转换效率(PCE)可以达到5.57%;同一个电池器件,钙钛矿转变为low-T相时,PCE却只有0.11%,前后相差约50倍。不同的的钙钛矿组分,最高PCE在约7%左右。而且经历多次相变循环之后,器件的效率几乎没有明显下降。

文中,研究者还分析了铯铅碘溴化物(CsPbI3−xBrx)组分差异对于材料和器件性能的影响,也探讨了水蒸气触发该无机钙钛矿材料相变的机理。吸附在无机卤化物钙钛矿膜表面上的水分,可以通过将空位引入晶格,降低成核的自由能垒,从而在室温下高效地催化high-T相至low-T相的转变。

这一技术也有一些需要改进的地方,比如,从透明的透光状态转为深色的发电状态,需要加热到100 ℃以上,这显然不利于实际应用。而且,发电状态的电池PCE仅有7%,还有很大的提升空间。

总之,这种热致变色无机钙钛矿材料,通过控制相变可以实现“智能窗”和太阳能电池的功能。虽然距离实用还有较大的距离,本文的工作还是为钙钛矿材料的应用开辟了一条新的道路。从失败的实验中获得灵感,并进一步深入研究找到新的发现,值得大家探讨和借鉴。

Thermochromic halide perovskite solar cells
Nat. Mater., 2018, 17, 261-267, DOI: 10.1038/s41563-017-0006-0


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发表于 2018-6-5 08:41:46 | 显示全部楼层
杨培东-MOF导电性提高1万倍

研究亮点:
1.通过K离子的引入实现能带离域,使MOF导电性和迁移率大幅提升,可媲美有机高分子。
2.基于这种高导电性和高迁移率的MOFs FET,为实现新型多孔导体器件开辟了一条通用之路。
作为一种比表面积高达7000 m2 g–1的晶态多孔材料,MOFs在气体存储、工业分离、催化以及水净化等诸多领域表现出优异的应用前景。
如何提高MOFs的导电性和迁移率,使之进入储能和电子器件领域并有所作为,成为了众多科学家研究的重要目标。
有鉴于此,加州大学伯克利分校Jeffrey R. Long、杨培东和Gary J. Long等团队合作,通过K+的引入实现能带离域,使MOF导电性和迁移率大幅提升,可媲美有机高分子。
研究人员以Fe2(BDP)3为研究目标,通过K+的引入合成得到Fe2(BDP)3部分还原的KxFe2(BDP)3(0 ≤ x ≤ 2)型MOFs材料。这种材料在母体框架内表现出全部的电荷离域,电荷迁移率可媲美陶瓷和高分子材料。

MOF导电性

MOF导电性
通过谱学方法测试、理论计算以及单个-微晶场效应晶体管测试,研究人员发现在单晶轴上,这种全新的MOFs比未引入K+之前的MOFs导电性提高了接近1万倍。
研究人员认为,这种优异的性能主要是因为,K+的引入产生了IVCT(混合价态电荷传递)过程,极大地增强了电荷离域。在K+引入之前,电子波函数限域在金属离子和有机配体上,几乎不发生重叠。引入K+之后,MOFs之间相互作用显著增强,通过将Fe3+部分还原成Fe2+,实现了长程电荷离域,导电性和迁移率得到增强。
基于FET的测试研究表明,对于KxFe2(BDP)3(0 ≤ x ≤ 2),电荷离域和迁移率与K的含量x成一定比例关系。当x=0.98时,K0.98 Fe2(BDP)3可实现最高电子迁移率为0.84 cm2 V–1 s–1,而最高两点导电性比Fe2(BDP)3提高了接近1万倍。
总之,这项研究为提高MOFs导电性提供了一种简便的通用策略,为MOFs进军电子器件和储能领域带来了新的希望。


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