推荐国家自然科学奖项目公示Word文件下载.docx

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凝聚态物理

推荐专家意见：

张锦的研究团队主要从事低维碳材料的物理化学研究，在低维碳材料的拉曼光谱学研究方面做出了突出贡献。

1）发展了单壁碳纳米管高分辨物性的拉曼光谱表征方法，实现了单壁碳纳米管的金属/半导体性和手性结构的高分辨定量研究，获得了单根单壁碳纳米管的生长速度和温度系数等本征物性参数；

提出了基于“碳基催化剂”的单壁碳纳米管手性控制的克隆生长方法，实现了碳管手性控制的突破。

2）提出了石墨烯增强拉曼散射的概念，证明了石墨烯增强拉曼散射的化学增强机制；

发展了石墨烯的控制制备与转移技术，获得了严格单层的大面积石墨烯；

发展了基于石墨烯的柔性拉曼散射增强基底的制备方法，实现了任意形貌表面上痕量物种的拉曼信号直接检测。

3）提出了单壁碳纳米管能带结构的应力调控方法，研究了不同形变下单壁碳纳米管能带结构与其电子-声子耦合特征的关联性，首次证实了应力条件下碳纳米管能带结构随手性的变化规律；

提出了低维碳材料能带结构的光化学调控方法，实现了石墨烯的片层裁剪、逐层减薄、石墨烯到氧化石墨烯的定域转化以及碳纳米管从金属性到半导体性的转化等。

项目的8篇代表性论文他引1100余次。

该研究发展了低维碳材料的拉曼光谱学，拓宽了低维碳材料的应用范围，对我国基础研究的发展贡献显著，申报材料属实，因此我们郑重推荐该项目参评国家自然科学奖。

项目简介：

碳纳米管和石墨烯等低维碳材料有望在未来半导体、微纳电子和能源等领域发挥核心作用，是主导未来高科技产业竞争的战略材料。

对其基本结构与性质的深入研究是能否取得引领性和原创性研究突破的关键环节。

拉曼光谱技术在低维碳材料的发现以及结构与性能的研究中发挥了不可替代的重要作用。

该项目以低维碳材料的拉曼光谱学研究为主线，关注低维碳材料结构与物性的微区拉曼表征、石墨烯增强拉曼散射和低维碳材料能带调控中的电子-声子耦合特征等基本科学问题，在科技部纳米重大研究计划和国家自然科学基金委的支持下，开展了持续而系统的研究，取得如下主要成果：

1）发展了单壁碳纳米管的结构控制制备方法及其结构与物性的微区拉曼光谱表征技术：

针对单壁碳纳米管手性控制生长及其结构表征这一世界难题，发展了单壁碳纳米管结构与物性的微区拉曼光谱表征方法，实现了单壁碳纳米管的金属/半导体性和手性结构的高分辨定量研究，获得了单根单壁碳纳米管的生长速度和温度系数等本征物性参数；

在此基础上，提出了手性控制的“碳基催化剂”概念和单壁碳纳米管的克隆生长方法，突破了传统的“气-液-固”生长模型，建立了新的“气-固”生长模型，从而实现了单壁碳纳米管手性控制的突破。

2）发明了石墨烯增强拉曼光谱技术：

针对表面增强拉曼光谱技术在定量和微量检测中信号不均一这一长期挑战，提出了石墨烯增强拉曼散射的概念，证明了石墨烯增强拉曼散射的化学增强机制；

发展了高品质石墨烯的偏析与Ni-Mo等合金催化化学气相沉积制备技术和石墨烯的无损转移技术，获得了严格单层的大面积石墨烯；

在此基础上发展了基于石墨烯的柔性拉曼散射增强基底的制备方法，首次实现了任意形貌表面上痕量物种的直接检测，为表面增强拉曼散射的定量研究开拓了新的思路。

3）发展了低维碳材料能带调控与拉曼光谱研究方法：

提出了单壁碳纳米管能带结构的应力调控方法，研究了不同形变下碳纳米管能带结构与其电子-声子耦合特征的关联性，首次证实了应力条件下碳纳米管能带结构随手性的变化规律；

提出了低维碳材料能带结构的光化学调控方法，实现了石墨烯的片层裁剪、逐层减薄、石墨烯到氧化石墨烯的定域转化以及碳纳米管从金属性到半导体性的转化等系列调控方法，为低维碳材料在未来电子器件中的应用奠定了基础。

项目发表代表性论文8篇，包括Chem.Soc.Rev.1篇、Acc.Chem.Res.1篇、J.Am.Chem.Soc.2篇、Proc.Natl.Acad.Sci.1篇、Adv.Mater.1篇和NanoLett.2篇，论文他引1100余次，其中3篇入选ESI高引用文章。

这些论文在Chem.Rev.、Nature、Science、Nat.Chem.、Nat.Photonics、Nat.Nanotechnol.和Chem.Soc.Rev.等刊物中有大量的正面评述。

此外，相关成果也获得了NatureChina、C&

EN、NPGAsiaMaterials等重要学术媒体的高度评价。

相关成果受邀在国际会议上作邀请报告20人次。

授权专利16项。

客观评价：

本项目的研究成果发表在Chem.Soc.Rev.、Acc.Chem.Res.、J.Am.Chem.Soc.、Proc.Natl.Acad.Sci.、Adv.Mater.和NanoLett.等权威国际期刊上，获得同行的广泛关注和高度评价，并多次被期刊媒体亮点报道。

（1）单壁碳纳米管定点转移的工作（代表性论文1）被NPGAsiaMaterials以“Carbonnanotubes:

Putintheirplace”为题进行亮点报道，认为碳纳米管的转移印刷技术同时解决了手性分离和复杂电路加工这两大难题（doi:

10.1038/asiamat.2009.132）。

单根单壁碳纳米管的增强拉曼散射光谱的工作（代表性论文2）被TheNanoscaleWorld进行专门报道，同时该论文被Chem.Soc.Rev.（2012,41,7085-7107）评价为表面增强拉曼光谱领域的重要综述之一。

（2）单壁碳纳米管克隆生长的工作（代表性论文3）被NPGAsiaMaterials以“Carbonnanotubes:

perfectclones”（doi:

10.1038/asiamat.2009.222）为题亮点报道，称“北京大学的张锦教授发明了一种可以精确控制单壁碳纳米管性质的新颖生长方法”；

同时，本工作多次被Nature及其子刊文章正面引用评述（例如Nature,2014,512,61-64；

Nature,2009,460,250-253等）；

其中，Nature（2014,512,61-64）评述该方法可以“确切地定义生长所得碳纳米管的管径和手性”。

（3）石墨烯增强拉曼散射的工作（代表性论文4）发表之后受到国际国内同行的高度评价，被评为“2010年中国百篇最具影响国际学术论文”。

PhotonicsSpectra杂志以“Graphene:

TherisingstarinRamanspectroscopy”（石墨烯是拉曼光谱中升起的新星）为题进行了评述，称“这一发现将石墨烯的应用拓展到微量分析领域”。

同时，NatureChemistry上的ReviewArticle（Grapheneoxideasachemicallytunableplatformforopticalapplications,2010,doi:

10.1038/nchem.907）中引述了该文及其图。

这部分工作也被Chem.Soc.Rev（2012,41,666-686）大段引用并评述。

（4）大面积单层石墨烯的控制制备及其柔性平整基底上表面增强拉曼散射的工作（代表性论文5、6）受到广泛关注，大面积单层石墨烯控制制备的工作被Acc.Chem.Res.（2013,46,23-30）详细评论，并引用了该工作的整幅图（Figure5）全面介绍该方法；

这一工作还被Chem.Rev.（2015,115,10307-10377）和Acc.Chem.Res.（2013,46,2329-2339）等多篇综述文章介绍；

石墨烯隔离金属的柔性平整基底表面增强拉曼散射的工作被C&

EN杂志以“GrapheneSurfaceImprovesSERS”为题进行报道，称石墨烯和金属纳米结构的结合“给出了更干净、重复性更高的表面增强拉曼散射光谱”，“使用透明、自支撑、柔性基底，可以应用于任意形貌的表面”。

由于其在实际检测应用方面的重要性，这一工作被Chem.Rev.上综述碳纳米材料在生物成像和纳米医疗诊断的文章“CarbonNanomaterialsforBiologicalImagingandNanomedicinalTherapy”（2015,115,10816）引用。

（5）石墨烯的化学修饰和能带调控的工作（代表性论文7）发表之后，代表性论文7被Nature以“Chemicalscissorscutgraphene”（doi:

10.1038/470308c）为题进行研究亮点报道，称光催化方法“本质上就像用剪刀剪开碳碳化学键，形成图案”，这一方法“避免了溶剂和相关的可能污染”。

这一工作也被国家自然科学基金网站以及中央政府门户网站专门报道，称为“石墨烯光催化剪纸技术”。

Chem.Soc.Rev.（2014,43,7067-7098）引用了该项目光化学氯掺杂石墨烯成果的图并做评述。

Chem.Rev.上题为“WaltzingwiththeVersatilePlatformofGraphenetoSynthesizeCompositePhotocatalysts”（2015,115,10307-10377）的文章引用并评述了该项目的这两个工作。

（6）石墨烯的氮掺杂生长的工作（代表性论文8）发表之后，被MaterialsViews报道，称该项目发展了“一种简便可控的‘共偏析法’实现了石墨烯选区掺杂”，“在构造各种基于石墨烯的纳电子器件方面有广泛的应用”；

相关工作分别被Science、Nat.Nanotechnol.、Chem.Rev.等期刊引用评述，其中Science（2014,343,1228-1232）参考该方法制备出高质量的石墨烯；

Nat.Nanotechnol.的评论文章“Theglobalgrowthofgraphene”（2014,9,726-730）中多次提到该工作；

Acc.Chem.Res.（2013,46,23-30）引用了该工作，认为该方法可以实现“严格单层石墨烯在表面上100%的覆盖”。

代表性论文专著目录：

1.LYJiaoLiying,BFan,XJXian,ZYWu,JZhang,ZFLiu*;

CreationofNanostructureswithPoly（methylmethacrylate）-MediatedNanotransferPrinting;

JournaloftheAmericanChemicalSociety;

2008,130（38）,12612-12613.

2.LMTong,T.Zhu,ZFLiu*;

Approachingtheelectromagneticmechanismofsurface-enhancedRamanscattering:

fromself-assembledarraystoindividualgoldnanoparticles;

ChemicalSocietyReviews;

2011,40（3）,1290-1304.

3.YGYao,CQFeng,JZhang*,ZFLiu*;

‘Cloning’ofsingle-walledcarbonnanotubesviaopen-endgrowthmechanism;

NanoLetters;

2009,9（4）,1673-1677.

4.XLing,LMXie,YFang,HXu,HLZhang,JKong,MSDresselhaus,JZhang*,ZFLiu*,CangraphenebeusedasaSubstrateforRamanEnhancement?

;

2010,10

（2）,553-561.

5.KYan,LFu,HLPeng,ZFLiu*,DesignedCVDGrowthofGrapheneviaProcessEngineering;

AccountsofChemicalResearch;

2013,46,2263-2274.

6.WGXu,XLing,JQXiao,MSDresselhaus,JKong,HXXu,ZFLiu,JZhang*;

SurfaceEnhancedRamanSpectroscopyonaFlatGrapheneSurface.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica;

2012,109（24）,9281-9286.

7.LMZhang,SDiao,YFNie,KYan,NLiu,BYDai,QXie,AReina,JKong,ZFLiu*;

Photocatalyticpatterningandmodificationofgraphene;

2011,133,2706-2713.

8.CHZhang,LFu,NLiu,MHLiu,YYWang,ZFLiu*;

Synthesisofnitrogen-dopedgrapheneusingembeddedcarbonandnitrogensource;

AdvancedMaterials;

2011,23（8）,1020-1024.

主要完成人情况：

1.张锦，排名第1，长江特聘教授，杰青，中组部“万人计划”领军人才，英国皇家化学会会士。

工作单位：

北京大学，完成单位：

北京大学。

是本项目的学术负责人，对应科学发现一、二、三；

发展了单壁碳纳米管高分辨物性的拉曼光谱表征方法，实现了单壁碳纳米管的金属/半导体性和手性结构的高分辨定量研究，实现了单壁碳纳米管手性控制的突破，提出了石墨烯增强拉曼散射的概念，首次实现了任意形貌表面上痕量物种的直接检测；

是代表性论文3、4、6的通讯作者。

2.刘忠范，排名第2，院士，长江特聘教授，杰青，中组部“万人计划”杰出人才，英国皇家化学会会士，英国物理学会会士。

对应科学发现一和三，在单壁碳纳米管和石墨烯的控制生长、能带调控和拉曼光谱研究方面有创造性的贡献，提出了严格单晶大面积石墨烯的可控生长方法，提出了石墨烯能带调控的化学修饰方法；

是代表性论文1、2、3、4、5、7和8的通讯作者。

3.童廉明，排名第3，副研究员，工作单位：

对应科学发现一和二，主要负责碳纳米管和石墨烯的拉曼光谱研究，在碳纳米管和石墨烯的增强拉曼散射研究方面有突出贡献；

是代表性论文2的第一作者。

4.彭海琳，排名第4，教授，杰青，工作单位：

对应科学发现二和三，在严格单晶大面积石墨烯的可控生长、石墨烯能带调控的化学修饰方面有突出贡献；

是代表性论文5的共同第一作者。

完成人合作关系说明：

本项目的五位主要完成人均来自于北京大学化学与分子工程学院以及北京大学纳米化学研究中心，刘忠范院士为纳米化学研究中心主任，本项目负责人张锦教授担任中心副主任，独立课题组组长，主要完成人彭海琳教授和童廉明副研究员为中心成员。

在项目期间，五位主要完成人在低维碳材料的可控生长、能带调控及拉曼光谱研究方面保持长期的密切合作，张锦教授和刘忠范院士共同发表了代表性论文1、3、4、6，童廉明副研究员和刘忠范院士共同发表了代表性论文2，彭海琳教授和刘忠范院士共同发表了代表性论文5。

知情同意证明：