返回主页>>

彭长四  教授

个人信息

主要工作经历:

2018.06-今:(英国)贝德福特大学,教授(兼)

2009.11-今:苏州大学,特聘教授,博导

2001.01-2009.12:(芬兰)坦佩雷科技大学光电子研究中心,资深研究员、项目领导

2004.04-2009.04:(芬兰)EpiCrystals公司,高级工程师

2000.06-2005.05:中科院物理所,副研究员(破格提升)

1998.06-2000.05:中科院物理所,助理研究员

1999.11-2000.02:(日本,筑波)电子综合研究所,(日本科技厅)研究员

1990.07-1993.08:青岛新和文具有限公司,办公室主任


主要教育经历:

2004.01-2009.10:(芬兰)坦佩雷科技大学,工学博士/在职,导师:Markus Pessa

1993.09-1998.06:中科院北京物理所,理学博士,导师:周钧铭

1985.09-1990.06:武汉大学,理学学士


主要学术兼职:

1、(英国)贝德福特大学,兼职教授(2018-今);

1、(英国)谢菲尔德大学,客座教授(2018-今);

2、西交利物浦大学教工考评委员会校外专家(2017年)

研究方向

 目前主要研究方向:

1、半导体量子点:无缺陷、可控、定位生长半导体量子结构阵列的分子束外延设备及其生长研究。

2、纳米仿生:防水、防油、自清洁仿生研究;油水分离研究。


介绍:

一、原位激光干涉图形化自组装:无缺陷、可控、定位生长量子点

纳米结构材料处于21世纪器件创新的前沿。现在,技术进步的道路把我们带到几个纳米的尺度,在这个尺度上,结构化的材料在分子级别的维度上相互作用,并且具有由量子相互作用支配的电子性质。将我们的技术转化为计算、传感、通信、诊断甚至治疗疾病的应用潜力巨大。然而,我们并不具备开发所需器件的设备。我们需要探索创新的制备方式,克服传统路线的局限性,成为第二次量子革命的关键技术。我们发明了这样一种新颖的技术,旨在开发纳米材料结构的革命性工艺(截止20183月,中国【ZL2011 1 0224270.7】和美国【US 8,969,185 B2】发明专利已经授权,并受PCT保护【PCT/CN2012/078013】)。该技术将自上而下的激光干涉图形化(laser interference patterning: LIP)的简单性与自下而上的(比如:分子束外延:MBE)自组装(SA原位in-situ)结合(in-situ laser interference patterned MBE: isLIP-MBE)(in-situ laser interference patterned self-assembly: isLIP-SA),为下一代均匀有序量子结构阵列(QSAs)提供有成本优势的先进技术。由此产生的阵列将具有前所未有的位置和尺寸可控性,并将没有因刻蚀工艺而带来的缺陷。项目技术制备的材料将成为未来纳米级电子、光子和生物医学设备发展的基石。



1MBE生长室内原位激光干涉的光束分布和生长QSAs的示意图。


对量子点和量子线等纳米级电子材料的理解和利用已经成为近十年来的热门研究课题。此外,纳米等离子体和功能生物材料是潜力巨大的新兴领域。然而,纳米结构化工艺方法在多年以来并没有显著的发展。传统的技术涉及使用很多连续的工艺步骤(例如:光刻、蚀刻和材料沉积/生长)来自上而下地构筑器件或结构,这是一种广泛应用的方法。但是,由于分辨率不够、或工艺过程引入过多的缺陷、或高成本,最终会走出历史舞台。据报道,每台新的深紫外光刻仪器价格为7000万美元(尚未证实),有人认为电子纳米材料可能行将就木。我们的愿景是为克服传统加工的局限性做一次彻底的改革,并建立全新的技术。在我们的研究中,我们使用多束相干激光将原位激光干涉图形化(isLIP)应用于正在MBE生长/反应的材料表面上。吸收的激光直接调制局部表面反应,从而形成规则的纳米结构成核位置。我们通过干涉阵列来定义成核位置,然后利用自组装来在成核位置上生长/合成纳米结构。在?100-300 nm的间距上的精确排列的尺寸在10 nm以下的单QSA(图1)。这种技术将成为光子量子计算的关键技术。然而,我们的方法不限于一种特定的材料或技术,而是可以在不同的材料和工艺中找到应用。我们的研究isLIP-MBE只是isLIP-SA技术的应用特例。isLIP-SA可以应用到其它自组装生长技术中,比如化学气相沉积(CVD):isLIP-CVDisLIP-MBE的研究成果可以转移到其它isLIP-SA技术中,欧盟FET项目:NanoStencil,将我们isLIP-MBE的前期成果应用到isLIP-CVD中,便是其重要的目标之一。

将表面光学图案结构与自组装原位结合,我们获得了在材料形成/生长阶段直接合成/生长纳米材料的独特能力。干涉图案控制二维(生长平面)横向维度,而激光能量控制第三维生长的反应过程,在纳米级的所有三个维度上提供前所未有的结构控制。我们的工艺不受传统的自上而下蚀刻留下的界面缺陷的影响(这些传统刻蚀导致的缺陷最终限制了传统方法制备的器件的性能潜力)。因此,我们的技术能够制备具有相同电子性质的均匀有序QSAs,这样的阵列是需要纳米结构系统的应用的关键要求。利用容易投射到材料表面的干涉图案,使得我们的工艺具有根本的简单性,这对追求最终以掩模定义的光刻分辨率而言,是有吸引力的替代方案。使用激光干涉能够在大面积上产生高度规则的阵列,从根本上克服了传统自下而上的自组装生长/合成纳米结构的无序性和不可控性。并且在纳秒时间尺度上的单次处理中获得。因此,它是一个本质上准确、快速和可扩展的技术,与已有的光刻方法相比具有根本的优势。

我们的研究可以满足当今纳米技术最关键的挑战,可以制备精确定制的QSAs的大规模阵列。我们相信我们的技术可以开启一个全新的领域,有可能重新塑造纳米材料行业。我们的技术需要基础研究和尖端技术研发来实现其目标。我们已经完成了前期的原理性验证

 


传统的方法

我们的优势

多步光刻工艺(光刻图形化)

所有三个维度的单步处理

容易发生界面污染/缺陷

结构化与生长同步,不引入缺陷

适合具体的某种材料

适用于不同的材料系统

低产量和小面积

具有单次大面积图形化能力

10nm光刻技术的开发成本不可持续

一个根本上简单的过程,固有成本较低,加上可扩展性和高产量


基于我们国际上原创性研究成果,我们的国际合作者——(英国)谢菲尔德大学Mark Hopkinson教授于2017年上半年申请并获得如下两个重大项目资助:

1)欧盟地平线2020“未来新兴技术(FET计划项目(干涉光刻调控纳米尺度自组织外延成核(NanoStencil),资助号:737315,资助额:321万欧元,2018.01.01-2020.12.31),项目组:彭长四教授、英国谢菲尔德大学、英国贝德福特大学、西班牙CEIT-IK4中心、芬兰坦佩雷工业大学、德国Innolas公司。

2)英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC先驱研究与技能计划项目(原位干涉光刻:一种新的纳米阵列制备方法,资助号:EP/P027822/1,资助额:95万英镑,2017.03.01-2020.02.28),项目组:彭长四教授和英国谢菲尔德大学团队。


二、纳米仿生研究

浸润性、接触角

浸润性是指液体在固体表面的润湿行为,是最为常见的一类界面现象。浸润性可以通过液体与固体表面的接触角来衡量。通常将与水接触角小于90°的固体表面称为亲水表面,大于90°的称为疏水表面;与水接触角大于150°的称为超疏水表面,小于10°的称为超亲水表面。具有超疏水、超亲水性能的特殊浸润性表面是近年来的研究热点。

荷叶效应

自然界中许多物质表面显示出超疏水性,如荷叶的超疏水以及自清洁的性质很早为人所知。当水滴到荷叶表面时会形成亮晶晶的球形水珠,这些水珠不能稳定地停留在荷叶表面,只要稍微摆动或倾斜表面,水珠便会从叶面滚落,水珠滚落的同时会带走荷叶表面的灰尘等污染物,从而保持荷叶表面的干净,荷叶表面的这种自清洁现象被称为荷叶效应。

除了荷叶,自然界中还有很多植物表面具有超疏水性,如芋头、甘蓝、水稻叶等,这些植物表面也具有较强的自清洁能力。

除了植物,许多昆虫如蝴蝶、蝉等的翅膀,水黾的腿表面也具有超疏水性质。蝴蝶翅膀表面的覆瓦状微米级鳞片沿长轴方向规则分布着近似平行的亚微米级纵肋和沟槽结构,这种特殊的结构使蝴蝶翅膀色彩斑斓并具有良好的疏水性。蝉的翅膀分布有许多纳米级的柱状阵列,柱子直径约为70 nm,柱间距90nm 。研究发现水黾的腿上有许多微米尺度的针状刚毛,而每根刚毛上还有更精细的纳米结构的沟槽,这种微米-纳米双阶结构及表面的蜡状物赋予水黾独特的水中行走能力。据测验水黾的每只腿可以承受高达152达因的力,是其体重的15倍。

受自然界中超疏水表面的启发,人们意识到超疏水表面的形成由表面自由能和粗糙结构共同制约。由于现今由最低表面能物质制作的平滑表面的接触角仅能达到119°。因此粗糙结构的制备非常重要。

为了提高超疏水性,人们从两个途径进行努力:(1)减少固体表面自由能;(2)提高表面微米-纳米尺度的粗糙度。固体表面自由能是材料本身的固有特性,表面修饰又存在老化和附着力的问题,所以,大部分的研发都集中在提高表面微米-纳米尺度的粗糙度。

人们已经通过很多方法制备出了超疏水表面,但是这些方法要么需要昂贵的设备、苛刻的条件,要么所制备的附着性差、耐磨性差、机械强度差和易老化,不适合大规模化工业生产和实际生活需要。因此,附着性好、耐磨、机械强度高、不易老化、造价低廉、操作简单、适合大规模化工业生产的方法制备超疏水表面非常重要。


我们的研究与成果

我们在独立研究开发过程中,取得了如下6个阶段性成果,第1-4阶段的研究是处于探索阶段,偏基础研究,第56阶段的成果已经能进行产业化开发。

1)用修饰法,直接添加纳米烛灰颗粒,得到的表面形貌是光滑的PDMS表面粘附有纳米烛灰颗粒。表面接触角可达143°

2)为了模仿荷叶表面的双重粗糙结构,我们提出了一种通过结合微米点阵和纳米烛灰颗粒的方法制备而成的微米-纳米复合结构超疏水表面。制备出的样品表面接触角高达162°,显示出超疏水性,且样品表面形貌类似于荷叶表面结构。

3)利用光刻和燃烧覆盖方法在微米点阵上实现了添加纳米颗粒。测试结果显示制备的样品表面粗糙结构也与荷叶表面结构类似,都具备微米和纳米相结合的二级阶层结构,且接触角达到了150°以上,显示了很好的超疏水性。

4)利用模板法在光刻胶表面得到荷叶的微米-纳米复合结构,得到耐磨、抗老化的超疏水薄膜。薄膜表面结构和接触角(152°)。

5)以低成本的、可大规模生产的、特殊物理化学反应取代昂贵的、难大规模产业化制备的CVD技术,在玻璃上制得透明超疏水玻璃表面(接触角156°,透明度92%),该表面耐磨、机械强度高、不会老化、造价低廉、操作简单、适合大规模化工业生产

6)通过在铜网上进行疏水和亲油处理,我们成功地进行了油水分离:分离效率达到了99.8%,不仅对油水不相溶混合液有效,对油水乳液也有同样的分离效率,并且达到了实用级别的耐磨、耐腐蚀特性。 


应用

超疏水表面材料用在室外天线、太阳能面板、光电转换器上可以防止雪由于超疏水表面与水滴的接触面积非常小,且水滴极易从表面滚落,因此,超疏水表面不仅具有自清洁功能,而且还具有防电流传导、防腐蚀、防水、防雾、防霉、防雪、防霜冻、防黏附、防污染等功能。因而在建筑、服装纺织、液体输送、生物医学、日用品与包装、交通运输工具及微量分析等领域都具有极其广泛的应用前景:

1、建筑领域

Yamauchi等人通过在卫星天线上涂覆超疏水薄膜,有效的减少了由于雪的附着而产生的信号干扰,从而保证了信号接收的质量。高楼门窗的清洗是一件非常头疼的事,清洁费用较高且麻烦,清洁时还要特别注意安全,超疏水表面应用于玻璃门窗可以起到自清洁的作用,从而免除人工清洗的烦恼。此外,超疏水外墙涂料表面的灰尘可以被自然雨水轻松地冲洗掉,使建筑物外观保持清洁。因此超疏水表面在建筑领域具有非常大的应用前景。

2、服装纺织领域

超疏水材料应用于服装纺织领域,可使服装具有防水防污能力,人们穿上这种衣服可以在雨天行走自如,还可减少清洗次数,节约水和洗涤剂的用量,保护有限的水资源。用温度调控的超疏水/超亲水开关材料应用于服装上,还可起到冬暖夏凉的作用。

3、液体输送

超疏水表面用于石油管道的运输过程中,可以防止石油在管道壁粘滞,从而减少运输过程中的损耗及能量消耗,并防止管道堵塞;应用下水管道可有效地防止管道腐蚀,延长管道使用寿命。应用于药物输液器上可以消除昂贵药物在输液管内的残留,也可以消除昂贵的药品在针尖上的粘滞及由此带来的针尖污染,有利于准确用药。近年来,微流体技术发展非常迅速,目前一个突出的问题就是微流体的控制与定位技术。而器件的微型化使得管道的表面性质,尤其是润湿性能,对流体流动行为具有举足轻重的影响。如果将超疏水表面应用于微流体控制机制中无疑将大大促进微流体技术的发展。Hong等利用具有高粘滞力的超疏水聚苯乙烯表面成功实现了超顺磁性微滴在超疏水固体表面间的可逆、定向、无损失输运,对于开发新型的微流体装置有重要的指导意义。

4、生物医学

超疏水表面材料还可应用于人造血管等生物医学材料领域,Sun等研究表明在超疏水的FPCU20薄膜表面(接触角为164°)几乎没有血小板的吸附,而在光滑的FPCU20薄膜表面(接触角为110°)则有大量的血小板吸附,超疏水表面体现出了比普通薄膜更优异的血液相容性,为生物医学材料的发展开拓了一个新的研究方向。谢琼丹等研究表明超疏水材料表面提高了抗凝血性。另外,由于超疏水表面上的液滴几乎成圆球形,与基底接触面积很小,因此可以控制含有DNA和蛋白质等生物分子的液滴受到外界污染达到最小化。液滴的位置和形态可通过构建不同的含有疏水和亲水微区图案的基体来获得,通过这种特殊的图案化,亲水微区可容纳极少的含有DNA的液滴,该种表面通过避免容器壁的接触,改进了认识和分析DNA和蛋白质的方法和手段。超疏水表面可以解决生物中较头痛的小液滴圈饼效应咖啡效应等问题。

5、日用品与包装

商品在流通运输环节不可避免地会受到雨水的侵袭,因此产品的包装需要有防水能力,超疏水材料应用于包装的外表面可以大大提高防水能力,由于超疏水材料有较强的防腐蚀、抗氧化的能力,因而可以延长包装容器的使用寿命;另外,很多食品、药品受潮后容易变质,因而需要使用较好的防潮材料,在防潮材料的外表面构建超疏水表面可以使包装材料既具有较好的防潮能力又具有较好的防水能力,从而提高防潮效果,有效地防止食品、药品变质,延长货架寿命;对外场刺激响应的超疏水超亲水可逆切换材料还可用于各种防伪标志,消费者可通过观察标志表面在外场刺激如温度作用下水滴形态的变化来判断产品的真伪。超疏水材料应用于纸上可以提高纸的防水防潮能力,扩大纸的用途,华中师范大学黄新堂教授等研制了一种超疏水纸,该纸保持了普通纸的复印、打印、书写等功能,有较强的自清洁能力,污水溅到表面会自动滚落,不留任何痕迹,具有广泛的应用前景。

6、交通运输工具

超疏水材料涂在轮船的外壳、燃料储备箱上,可以达到防污、防腐的效果;用于水中运输工具或水下核潜艇上,可以减少水的阻力,提高行驶速度;用于汽车挡风玻璃上,既可起到自清洁的作用,还可以防雾,提高汽车在雨天和雾天的能见度。

7、污水处理

现在社会,水污染非常严重。常见的水污染是有机物污染。油水分离能有效地将有机污染物从水中分离,消除有机物污染。

8、其他

除上述几方面外,基于纳米结构超疏水表面设计的储备电池结构可以有效地将液体电解质与电极活性材料分开,当电池被激活提供能量时,由于电润湿作用,液体电解质又会渗透到电极上,引发电化学反应,这种基于超疏水结构的电池有望大大提高电池的货架寿命,因而在电池方面有广泛的应用前景;超疏水表面在精确定量分析以及有机液体的吸附与解吸等方面都体现出了比普通材料更优异的性能,超疏水超亲油的薄膜还可方便地用于油水分离。

基本信息

彭长四  

教授

院部/部门: 光电信息科学与工程学院

最高学位: 理学博士

毕业学校: 中科院物理所

毕业专业: 凝聚态物理

第二学位: (芬兰)坦佩雷科技大学,工学博士/光电子

联系方式

通信地址: 江苏省苏州市十梓街1号161信箱

邮政编码: 215006

电子邮箱: changsipeng@suda.edu.cn

联系电话: +86-13776041002

传真号码: +86-512-67870203

办公地点: 苏州大学本部激光楼403

微信: changsi_peng

Copyright © 2011-2014苏州大学版权所有 苏州大学信息化建设与管理中心技术支持