創建技術平臺 發展西部科技
——記陜西師范大學物理學與信息技術學院教授潘明虎

李明麗

潘明虎和博士后導師薛其坤院士等合影（左1為蘇州大學李青教授，左2為薛其坤院士，左3為天津大學馬麗穎副教授）

新材料的探索以及相關凝聚態物理的研究，是催生技術革命和產業化飛躍發展的重要催化劑。半導體物理和硅材料的研究導致了上一次工業革命，促進了計算機產業和信息產業的飛速發展，對人類的科技進步產生了無法估量的重大影響。如今，新型的二維碳基材料——石墨烯，同樣在國際上催生了一股研究二維電子材料的熱潮。

歷任橡樹嶺國家實驗室納米相材料與科學中心研究員、華中科技大學物理學院教授等職位的陜西師范大學物理學與信息技術學院教授潘明虎，長年深扎石墨烯等二維材料、強關聯過渡金屬氧化物和納米、超導材料的研究，在材料制備與物理特性研究、掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜的設備設計搭建、超高真空技術、超高真空薄膜沉積和分子束外延以及其他超高真空沉積技術、磁特性測量和表面磁光科爾效應等領域完成了多項發明和創新。

潘明虎不僅發現和確認了一種獨特的雙氮摻雜構型，證實氮摻雜石墨烯可以用來有效地探測有機分子，他還首次成功觀察和測量了石墨烯納米帶的邊緣結構和邊緣電子態，并在實驗和理論上證實了邊緣上的缺陷結構會引起邊緣電子態的自旋極化。

2015年，已在美國從事科研十多年、擁有獨立科研團隊和研究基金并組建了實驗室的潘明虎毅然回國任教。如今，他冀望于發展中國西部的科研事業，把先進的科研理念和科研資源帶到西部地區。

石墨烯與二維材料的重大創新

石墨烯的發現，在國際上催生了一股研究二維電子材料的熱潮，甚至被譽為“新材料之王”，其產業的發展已上升到國家戰略高度，相關研究成果層出不窮。

眾所周知，當一種塊體材料的尺寸小到納米尺度時，連續的價電子能帶由于電子限域效應將會分裂成為能量不連續的電子軌道，從而顯著地改變材料的電子結構，電子之間的關聯性將得到極大的增強。

石墨材料有著悠久的應用歷史，包括寫字的鉛筆，其原材料都是石墨。石墨就是由一層又一層的石墨烯疊起來的，石墨烯的本質是一種單層的碳。直到單個原子層的石墨烯被剝離出來的時候，人們才發現，其電子特性與其他材料的特性完全不一樣，遷移率達到106。“某一維度的尺寸變小之后，它的特性就會產生一個極大的變化，這就是納米科學的神奇。”潘明虎說。

石墨烯是極端薄的二維材料，不僅是電荷和熱的導體，還擁有很高的載流子遷移率和令人吃驚的物理化學性能，為凝聚態物理研究提供了豐富的物理問題。然而，盡管具有許多優越的性能，展現了“后硅時代”的高性能碳基電子器件的誘人前景，但作為一種二維材料，石墨烯是零隙半導體，這使得其在常規的數字邏輯電路上應用存在重大問題。

潘明虎主要從事凝聚態物理、強關聯電子材料、納米科學與材料和掃描隧道顯微技術方面的研究。自2006年起，他在美國橡樹嶺國家實驗室擔任研究員多年，逐漸擁有獨立的科研團隊和研究基金。他注重于強關聯過渡金屬氧化物和納米材料的研究，并與世界頂級物理學家、美國科學院院士E.W.Plummer等建立了長期的科研合作關系。

潘明虎用常壓化學氣相沉積法制備的高質量的單層氮摻雜的石墨烯，發現和確認了一種獨特的雙氮摻雜構型，在國際上首次展示了通過增強拉曼散射信號，氮摻雜石墨烯可以用來有效地探測有機分子。

他還首次成功地觀察和測量了化學氣相沉積法制備的石墨烯納米帶的邊緣結構和邊緣電子態，石墨烯納米帶的邊緣結構缺陷可以極大地影響和改變邊緣電子結構。他的研究從實驗和理論上證實了邊緣上的缺陷結構會引起邊緣電子態的自旋極化。

不止于此，在化學氣相沉積法制備的石墨烯中，潘明虎引入化學吸附的硼原子，可以誘導產生局域自旋磁矩，并通過掃描隧道顯微鏡，在原子尺度上測量出局域自旋態，觀察到了局域自旋在石墨烯中的分布、疊加等現象。

由于缺乏能帶帶隙，石墨烯制成的場效應管（FET）只有很低的開關比。盡管在石墨烯中可以通過各種方法形成能隙，比如制成石墨烯納米結構，采用化學功能團改性，或是給石墨烯雙層膜施加高電場。然而，這些方法會導致嚴重的遷移率退化或需要非常高的偏置電壓。另一方面，石墨烯是不太可能產生磁性的。盡管理論預測在石墨烯的邊緣、疇界、點缺陷如空位可以產生磁矩，然而一直缺乏有效的實驗證據，這使得石墨烯在磁電子學（自旋電子學）領域無法應用。因此，探索其他二維材料在納米電子學和自旋電子學中的應用就成為凝聚態物理中的前沿問題。

過渡金屬二硫屬化物（MX2）就是這一極佳的替代材料，它展現出極為豐富的電學、光學、機械、化學和熱學性質。經過多年發展，二維過渡金屬二硫屬化物已經逐漸引起凝聚態物理、材料科學和納米科學技術相關領域的研究熱潮。

過渡金屬二硫屬化物由于強烈的層內相互作用和相對弱的層間相互作用，用微機械解理技術可以制成超薄薄膜，這使得過渡金屬二硫屬化物很容易制作成納米電子器件。最受關注的是其可以解離成單個原子層厚度的二維形式，使得在樣品的制備、光學測量，甚至二維材料物理上都可以借鑒石墨烯的研究。

過渡金屬二硫屬化物大部分是半導體，在制備新型場效應管和光電子器件的引用前景極為廣闊。如何制備出更高質量（更低的缺陷濃度和更高的載流子遷移率等）的二維過渡金屬二硫屬化物材料，探索其中奇特的物理性質，如何調控過渡金屬二硫屬化物材料的電子結構和光學性質，是目前國際上的研究熱點，在基礎凝聚態物理研究方面也存在著重要科學發現的機遇，同時對未來科學技術如電子、信息技術的突破和產業創新具有非常重要的意義。

2016年以來，已經回國擔任華中科技大學物理學院教授的潘明虎通過“微觀量子調控二維電子材料MX2薄膜”的國家自然科學基金項目，結合高質量薄膜生長、微觀觀測、極端條件下物性測量以及理論計算，致力于實現有效調控過渡金屬二硫屬化物電子性質和磁性。

在潘明虎的構想中，這一研究將在超高真空環境下對過渡金屬二硫屬化物材料的原位生長與原位測量技術進行有機結合。一方面，可以制備出高質量的薄膜材料；另一方面，原位的表征手段可以有效地避免表面二次污染導致的不確定因素，可以更好地表征材料的本征性質。

從實驗內容上講，在過渡金屬二硫屬化物薄膜材料中通過系統性地控制摻雜濃度、種類以及磁性/非磁性，來調控材料的電學和磁學性質，是一個重大的創新。

經過多年研究，潘明虎和團隊通過分子束外延技術（MBE）生長多種MX2薄膜，并系統引入和控制各種摻雜（磁性或非磁性），從而改變材料的物理性能。同時，結合薄膜材料的生長與STM／S的微觀測量以及原位輸運測量，來研究新型的過渡金屬硫屬半導體MX2材料。目前，該項研究已經取得了突破性進展，為未來的MX2電子器件、自旋電子學或新型儲能材料的應用打下堅實的基礎。

突破碳基能源轉化的催化科學

凝聚態物理是研究凝聚態物質的物理性質與微觀結構以及它們之間的關系，即通過研究構成凝聚態物質的電子、離子、原子及分子的運動形態和規律，從而認識其物理性質的一門學科。

在潘明虎看來，這是最貼近生活的學科之一，電腦、手機中的芯片、集成電路技術，都是源于凝聚態物理中的半導體物理學。凝聚態物理的研究對象、課題和方向，都與人類日常生活息息相關。

事實上，作為固體物理學的向外延拓，凝聚態物理的研究對象除固體物質以外，還包括許多液態物質，諸如液氦、熔鹽、液態金屬，以及液晶、乳膠與聚合物等，甚至某些特殊的氣態物質，如經玻色-愛因斯坦凝聚的玻色氣體和量子簡并的費米氣體。“凝聚態物理的魅力無窮，一個小小的突破或發現很多時候都可以產生巨大影響，對人類社會產生非常大的促進作用。”潘明虎說。

除了在石墨烯和過渡金屬二硫屬化物薄膜材料上的創新，潘明虎還在國際上首次準確測量出單層黑磷的能帶帶隙，觀察到黑磷上的邊緣態，制備出黑磷以及MoSe2的場效應管。

通過使用多種微觀尺度下的測量手段，他在鐵基超導體中率先提出局域摻雜不均勻性和超導電性的關系，解釋了Filamentary超導是來自不均勻的Pr摻雜導致晶體中產生局部的超導區域。

他還通過直接環化反應高選擇性地合成了四軸烯，利用高分辨掃描隧道顯微鏡對反應進行原位表征，結合反應動力學計算理解反應機制。研究表明，分子在表面的遷移對產物的生成有著至關重要的作用，人們可以通過控制相關反應的動力學因素來選擇表面反應的過程。

此外，外爾半金屬是一種新穎的量子態，其線性色散關系使得外爾半金屬被稱為是“三維的石墨烯”，有望構筑無耗散或低耗散的電子電路，克服集成電路的發熱難題，在節能方面有很大的潛在應用價值。潘明虎首次通過極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡和電輸運手段，在外爾半金屬TaIrTe4母體（無須摻雜或復雜加工工藝）塊材表面上發現表面超導，并給出了非常規超導電性的實驗證據。這一結果對馬約拉納費米子的觀測與應用具有重要的推動作用。

事實上，由于凝聚態物理是涉及大量微觀粒子的體系，而且研究對象進一步復雜化，新結構、新現象和新機制依然層出不窮，需要從實驗、理論和計算上進行探索，仍構成對人類智力的強有力的挑戰。

值得重點關注的是，基于過渡金屬的固相催化劑的發展和應用，絲毫不比過渡金屬二硫屬化物材料的發展遜色，早已成為現代化學工業的重要基石，在當代化學工業中扮演了至關重要的角色。過渡金屬催化劑領域的每一次創新和發展都會在世界范圍內引發石油化工、新能源、生物醫藥等下游產業的產品革新和優勝劣汰。因此，加大對新型、高效過渡金屬固相催化劑的科技投入，積極開發具有自主知識產權的新型催化劑產品，對于促進我國社會經濟的可持續發展具有十分重要的意義。

與傳統催化劑相比，過渡金屬單原子和亞納米金屬團簇催化劑具有明顯優勢，也具有廣闊的工業應用前景。一方面是能夠最大限度地提高金屬原子的使用效率，在同等催化效果的前提下，減少金屬的使用量，有利于降低化工生產的催化劑成本；二是從催化反應的角度來看，金屬單原子與亞納米團簇催化劑特殊的電子結構，有助于降低反應能壘，能夠實現高效、節能、減排的“綠色催化”的目標；三是催化劑尺寸降低到亞納米團簇甚至單原子時，可大大提高催化反應的選擇性，降低產物分離過程的能耗。

盡管在制備方法、表征手段和實驗測試方面已經取得了長足的發展，但過渡金屬單原子和亞納米金屬團簇催化劑的發展依然存在亟待解決的關鍵性難題。

2017年開始，在華中科技大學物理學院任教期間，潘明虎提出了“金屬單原子/幻數團簇催化過程的高分辨表征及機理研究”，列入國家自然科學基金重大研究計劃“碳基能源轉化利用的催化科學”中，經過幾年時間的研究，成果顯著。

針對單原子金屬催化劑具有超高的表面能而容易發生團聚從而降低催化活性的問題，潘明虎團隊提出，利用新型二維材料和特殊的有機框架，將具有催化活性的金屬原子分散開來，從而可以制備穩定的單原子催化劑。

此外，針對組成亞納米團簇催化劑的金屬原子個數不均一、周圍的化學環境不清晰的缺點，潘明虎又提出，利用幻數團簇的穩定殼層結構，制備大小尺寸均一、結構清晰的亞納米團簇催化劑，進而系統地研究其在C-H鍵、C-O鍵的催化活化和C-C鍵的催化偶聯反應過程中的催化機制和團簇構型的關系。

C-H鍵、C-O鍵的活化和C-C鍵的偶聯是目前大多數重要的化工過程獲得產品的必經之路或者最終目標，在生物醫藥、精細化工和能源領域有著舉足輕重的地位。

潘明虎說，通過理性構建的金屬單原子和亞納米金屬催化劑，并結合實空間的高分辨表征技術對以上幾種反應的微觀催化機制進行系統研究，不僅具有重要的基礎科學意義，并且可以為開發新型固相金屬催化劑提供合理的依據。

投身西部教育科研事業

潘明虎出生于安徽全椒農村，從小就愛學習、能吃苦。上高中的時候，物理老師在課堂上深入淺出的教學，極大地激發他對物理研究的興趣。

1992年，潘明虎考入了湖南大學應用物理系。在大學期間，湖南大學劉全慧老師對物理知識的深入淺出的講解和生動活躍的討論，極大地激發了潘明虎的物理學習興趣。1996年，潘明虎從湖南大學本科畢業，隨后考上了南京大學凝聚態物理專業博士，2001年獲得了博士學位。博士生導師鹿牧教授引導和啟發著潘明虎尋找自己的研究方向。

博士畢業后，潘明虎到中國科學院物理研究所進行博士后研究，中國科學院院士薛其坤是他的合作導師。薛其坤是國際著名的實驗物理學家，其主要研究方向為掃描隧道顯微學、表面物理、自旋電子學、拓撲絕緣量子態和高溫超導電性等，對中國的物理學發展產生了深遠影響。

“薛老師是一個大師級專家，知識非常廣博。在薛老師課題組工作的3年期間，令我終身難忘并受益頗多的是他做科研的拼命精神。我跟著他做實驗的時候，經常從早上8點多一直工作到凌晨12點半左右。”想起在中國科學院物理所的經歷，潘明虎記憶尤深，每次實驗結束，薛老師還要到實驗室檢查他們的工作情況，討論實驗問題，到凌晨1點多，他們才各自騎著自行車回去睡覺，這基本上是那3年時間里的常態。

“有時候，他凌晨一兩點鐘還在堅持工作。不是一天兩天或者一個月這樣，而是十幾年、幾十年一直都是這樣。”薛其坤院士極其拼命的科研精神，對潘明虎和其他博士生產生了極大的言傳身教的作用，為科研奉獻的理念，植入了他的骨髓里。

2004年，潘明虎赴美國田納西大學做博士后研究，他在美國的導師——美國科學院院士E.W.Plummer同樣是凝聚態物理學的頂尖專家和創始人之一，科研上的要求極其嚴格。

“我們2008年做的一個科研項目涉及到鐵基超導體，做完之后我個人感覺很好，正想往外投發文章，結果導師看完之后就說這個研究還不成熟，不能發。”潘明虎說，美國導師用嚴謹的科研態度帶領他進行一個個研究，讓他在科研上受到了近乎嚴苛的訓練。

此后8年，潘明虎在美國橡樹嶺國家實驗室從助理研究員一步步晉升為研究員。

在短短幾年的時間內，他就創建了超高真空高分辨掃描隧道顯微鏡實驗室，催生了大量的創新科研成果。

回國發展對于潘明虎而言，是一個艱難的抉擇，卻是一個必然的選擇。對于在中國農村長大的潘明虎而言，融入美國當地并不難，但融入當地的文化，卻有著感情上的困難。在美國發展了近11年時間，潘明虎觸到了自己在科研發展上的“天花板”，回國之路漸漸清晰。

一次偶然的機會，潘明虎接觸到了華中科技大學物理學院的負責人，并最終接受了華中科技大學的邀請，于2015年1月起全職回國任教。經過6年時間的耕耘，他逐漸在華中科技大學物理科研上站穩腳跟。本應繼續穩定下來的潘明虎卻再次選擇離開，到陜西師范大學任教、科研。

“我一直認為，中國發展的根本問題，是教育的問題，是教育資源不平衡的問題。要發展西部，就要讓西部的教育和科研資源跟上去。”在潘明虎看來，西部教育資源貧乏、落后。類似于他這樣的科研學者，在發達地區、著名高校隨時就能點出幾百個，而到西部去，他就能夠發揮更大的作用。

潘明虎希望將先進的科研技術和理念帶到中國的西部去，“或許自己一個人的能力很小，但也要盡力去拉動、打破這一不平衡的狀態”。在潘明虎看來，科研工作的創新不僅需要個人發揮科研能力，更要發揮團隊的力量，不僅要與國內科研單位緊密合作，還要與國際科研單位保持密切交流。

談到未來的規劃，潘明虎希望在產生更多科研創新成果的同時，實現更多成果轉化。歷經20多年，潘明虎在不同階段導師的指引下，成為不斷產生創新科研成果的物理科研專家。如今，他也在言傳身教，指引著自己的學生走向科研創新的道路。