高被引科学家丨潘安练：潜心研究低维半导体材料领域20载|氧分子|潘安练|纳米|荧光|解离

高被引科学家（105）丨潘安练：潜心研究低维半导体材料领域20载，成功应用于多种集成光信息器件

学者名片

潘安练，湖南大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，湖南省"芙蓉学者"特聘教授，湖南省杰出青年基金获得者，教育部新世纪人才计划入选者，微纳结构物理与应用技术湖南省重点实验室主任，湖南大学材料科学与工程学院院长，国际合作与交流处处长；科睿唯安全球“高被引科学家”。

研究成果介绍

【背景介绍】

金属钠电池因其丰富的钠库存和较低的氧化还原电位而受到越来越多的关注。高工作电压对提高电池能量密度非常重要。然而，商用的NaPF6/碳酸酯基电解液热稳定性差、水敏感性高，并且钠金属负极与高电压正极的兼容性较差，在工作电压大于4.2 V就会出现严重的氧化分解，在正负极表面形成不稳定的固体电解质膜/正极固体电解质膜（SEI/CEI），导致低的库伦效率。同时，还会伴随着一些有害物质如水和氢氟酸的产生，这会严重腐蚀SEI/CEI和正极材料，加快电池的降解。因此，设计高电压电解液对于高能量密度的钠电池的发展非常重要且具有巨大挑战性。

【成果简介】

湖南大学潘安练教授，陈舒拉教授和清华大学深圳国际研究生院邹小龙教授在Nano Letters上发表了单层WS₂中氧吸附诱导的荧光增强及其扩展行为的研究。通过研究PVD法合成的单层WS₂，并结合理论计算，揭示了氧化学吸附诱导的荧光增强及其扩展的演化机理。并通过控制氧浓度和温度实现了对荧光增强扩展速率的调控。

【图文导读】

图1. (a) 单层WS₂在大气环境下放置不同时间的PL强度空间成像。(b) 第三天时，从边缘到中心PL光谱对比。(c) 对应TRPL对比。(d-e) 10K时边缘和中心的PL光谱分析。

研究人员在PVD一步法合成的单层WS₂中发现了一种独特的荧光增强现象：荧光首先在边缘开始增强，随着时间的推移逐步向中心扩展，经过82天后最终增强整片WS₂。通过稳态、瞬态的光学基本表征手段，确定荧光增强的边缘是由A0激子主导，而中心区域由A-激子主导。说明在大气环境中，样品从边缘开始逐渐被钝化。再结合结构表征和诱因排除实验，确定了氧化学吸附是导致荧光增强的决定性因素。

图2. (a) 单层WS₂结构模型。(b) 态密度对比。(c-d) 边缘和A位点氧分子氧解离过程。(e-f) B位点氧分子未解离和B位点解离后C位点的氧分子解离过程。

为了进一步明晰氧化学吸附增强荧光的动力学过程，研究者们开展了第一性原理计算。首先，通过对比电子结构，发现氧分子物理吸附或化学吸附S空位均有局域态产生不能增强荧光，只有当在S空位上化学吸附的氧分子解离为氧原子吸附后才能增强荧光。而边缘的氧分子解离势垒（0.031eV）要远远小于中心单个S空位的解离势垒（0.85eV），说明边缘荧光最先开始增强，与实验情况相符。另外，边缘附近A点S空位的解离势垒约0.45eV，也低于0.85eV，说明边缘氧饱和会加快其附近S空位的解离；同时通过对比中心区域B位点有无解离时C位点的解离势垒，表明已经解离的S空位也会促进邻近位点的解离，即已经增强的区域会对相邻未增强区域的荧光增强产生促进作用，完美解释了从边缘开始的扩展行为。

图3. (a-b) 不同氧浓度下和不同温度下荧光扩展距离与时间的依赖关系。

通过计算，研究者们还发现当氧分压较高时，一方面会促进氧吸附过程；另一方面，氧分子在S空位呈现垂直吸附状态，这种状态解离势垒非常高（1.32eV），几乎无法解离也不能造成荧光增强。因此，控制氧浓度是调控荧光增强扩展速率的重要手段。实验结果证明，随着氧浓度的增大，荧光增强的扩展速率先增大后减小，与理论预算结果相符合。此外，加热能够造成晶格膨胀，从而影响氧吸附和解离过程，同时温度也为克服势垒提供了一定的能量。因此，研究者们通过改变环境温度对荧光增强的扩展速率进行了有效的调控。当温度低于150℃时，加热不能促进荧光增强的扩展，而当温度高于150℃后，随着温度的提高，荧光增强扩展的速率也随之增大。

人物介绍

工作教育经历

潘安练教授于2006年毕业于中国科学院物理研究所，随后加盟湖南大学物理与微电子科学学院工作。同年底，赴德国马普微结构物理研究所从事洪堡学者访问研究。2007加入了美国亚利桑那州立大学光子学研究中心，随后取得该校助理研究教授职位。2009年潘教授取得湖南省"芙蓉学者"特聘教授职位，同时入选教育部新世纪人才计划并获湖南省杰出青年基金资助。先后组建了湖南省纳米光电高校科技创新团队和微纳结构物理与应用技术省重点实验室。潘教授在半导体纳米结构能带工程、纳米光波导及纳米激光研究领域取得了多项国际影响的研究成果，研究工作多次被Science Daily、IOP等国际学术媒体作报导亮点。

研究方向

从事低维半导体材料可控生长和集成光电子学研究领域研究20年，先后发展了低维半导体微纳尺度能带精确调控和异质结构建的普适方法，并成功应用于多种集成光信息器件。

学术论著

在Science, Nature Nanotechnology, Nature Electronics, Nature Materials等国际知名期刊上发表论文300余篇，获授权发明专利20余项。以第一完成人荣获2019年度国家自然科学二等奖、湖南省自然科学一等奖（2010年、2017年）和湖南省创新团队奖（2022年）。在 Web of Science中的出版物共有268篇，H指数68，总被引频次15000余次，获得2022年科睿唯安全球“高被引科学家”称号（交叉学科）。

获奖荣誉

2020年1月，获2019年度国家自然科学二等奖（第一完成人，项目：低维半导体材料的能带结构与光子特性调控）。

国家杰出青年科学基金（2015）

湖南省青年科学技术奖（2013）

湖南大学最佳科学家奖（2011）

湖南省自然科学奖一等奖（2010）

湖南省特聘教授（福荣学者）（2010）

湖南省杰出青年科学家（2009）

新世纪优秀大学生（2008）

洪堡研究员（德国，2007年）

中国科学院物理研究所优秀奖学金（2005）

中国科学技术大学优秀硕士研究生（2003）