刘前：纳米科研结硕果     

本刊记者  黄 健     

    刘前，国家纳米科学中心科技管理部主任、研究员（教授、博导），中科院研究生院和南开大学兼职教授。代表性工作为：研究获得5个纳米台阶国家一级标准物质；利用Super-RENS技术在405激光系统下获得最小记录点小于80纳米，为我国超高密度光存储探索了一条可行的技术路径；研制成功拥有全部知识产权的新概念超分辨无掩膜纳米光刻机系统，最小打孔直径可达50纳米；建立了一种可大面积实现、可设计、可套刻，工艺简单和加工成本低的新型微纳加工方法；研制成功的金属掩模制造新方法获得了美、日、中发明专利，打破了国际专利垄断；研制成功了具有正交网格结构的热电薄膜材料等。     

    在“纳米”这个词语上确实笼罩着一层瑰丽的光圈，从纳米科技的基础和应用研究到纳米产业的未来发展，乃至纳米技术与人们生活的密切联系等各种问题，都令科学家们神迷醉往。国家纳米科学中心科技管理部主任、研究员刘前就是该领域众多追梦者中的一员。

    自开始纳米科技攀登之旅起，刘教授已在这一领域留下了一长串闪光的足迹：作为首席科学家和课题负责人，他已完成科研项目十余个，在专业科学杂志上发表论文100多篇，撰写英文专著一部和英文章节多篇，译著一部，获得国家一级标准物质5个，美国授权专利一项，中国授权发明专利10项。

    刘教授曾在日本著名大学和研究机构留学工作多年，曾因其优秀的科学素养和杰出的科研成绩获得了日本罗大利米山奖励金、日本电气通信普及财团海外短期研究资助奖励等。2005年归国后任国家纳米科学中心研究员、博士生导师，在纳米事业上开始了新的征程。刘教授现任中文国际杂志《现代物理》主编和一些中英文杂志的编委，并被聘为澳大利亚科学研究委员会（ARC）国家基金项目的海外评审专家、科技部、基金委和中组部青年千人评审专家等。

    刘前教授的主要研究领域为新型微纳加工方法、新概念的薄膜纳米器件、功能化薄膜纳米材料、纳米标准物质以及纳米光存储等。经过多年的不懈努力，获得了一系列具有创见性的成果，逐渐形成了自己的学术和研究特色。

    微纳加工技术是材料功能化和器件构建的主要手段，分为“自上而下”和“自下而上”两种。目前常用的“自上而下”手段有电子束、离子束等。众所周知，激光作为另一种“自上而下”的加工手段具有生产效率高、加工精度高和经济实用的特点，一直受到人们的广泛青睐。实际上，激光早在上世纪70年代就已被应用于精密加工，然而由于激光系统的衍射极限限制，获得的激光系统的加工分辨率通常在微米量级，制约了其在纳米尺度上的加工能力。如何用激光获得纳米分辨的加工能力一直以来都是一个挑战性的课题。

    刘前教授的团队和上海光机所合作，在国家863计划的支持下，经多年探索研制成功了世界上首套全新概念的纳米激光直写系统，达到了二十分之一入射激光波长的加工能力，远远超越了激光衍射极限的物理限制，为提高激光加工分辨率提供了一条不同于传统方法的技术道路。更重要的是将受体材料从传统的有机光刻胶推广到有机、无机、金属或导体、半导体、绝缘体等材料体系，极大地简化了激光光刻工序，降低了成本，提高了工效，有效拓宽了激光光刻的应用领域。他所领导的团队围绕着纳米光刻机系统的开发与应用，做出了一系列的优秀工作，论文已发表在Adv. Mater., JACS, Nanoscale, ACSnano, Opt. Lett.,Opt Exp等国际顶尖和著名的科学杂志上，并获得了十余项美、日、欧和中国专利。他们发展的基于褶皱的表面微纳结构加工新方法、一步法纳米隧道制备新方法、可设计纳米带阵列制备新方法等为纳米制造能力的提升和技术手段的多样化起到了良好的推动作用，并引起国外同行的关注。

    目前，刘教授领导的团队已与美、日、英、欧盟国家、澳大利亚等国家建立了稳定的合作关系。在应用技术开发中，该团队还特别重视自主知识产权的保护，短短几年已申请20余项专利保护，如他们开发的金属-氧化物灰度掩膜制备专利技术，不仅打破了国际上的专利垄断，而且具有更低的制作成本和更高的生产效率，已被多家公司跟踪探讨更深层次的技术开发；再如他们发明的超薄金属膜制备专利技术可有效的解决纳米薄膜制备中的颗粒粗大的问题，在科研和生产中得到了应用。

    材料无疑是纳米科技的基础，刘教授领导的研究团队一直以来致力于功能化纳米薄膜材料的研究。他们在铋系化合物薄膜超结构制备上取得的突出进展就是一个很好的例子。铋系化合物的特殊电子结构使得它们在热电、传感、光电子等领域有很好的应用前景。有序铋系纳米材料由于能大幅提高其材料性能，因而受到人们的广泛重视。

    在国家自然科学基金、科技部和欧盟项目的支持下，刘教授带领的研究团队采用超平BiOx薄膜作为前驱体制作分级纳米结构，制备出了由两组互相垂直方向生长的Bi2S3纳米棒组成Bi2S3网格，具有自相似的超结构——嵌套二维正交网格（N2DONW）。该结构具有很大的比表面积，因此在催化剂载体、电化学储氢、忆阻器件以及晶体外延引导的纳米加工等领域有潜在的应用前景，成果被选作封面文章发表在《美国化学会志》上。

    如果把形核和生长进行分离，并人为地引导晶核的排列，可以制作出具有可控周期的网格结构和嵌套网格结构。这是常规的纳米加工技术无法制作的，因此它可以看成一种非光刻的纳米加工方法。为了提供给铋系化合物的二维正交网格（2DONW）制备的一般策略，研究团队又对铋系结构的通用制备途径展开了进一步研究。研究发现在铋系化合物中，很多重要的半导体材料和β-Bi2O3有类似的晶体结构和非常接近的晶格参数。实验证明，能满足上述晶体学方面要求的多种铋系化合物（β-Bi2O3，BiOCl，BiOBr，Bi2O2CO3，Bi2S3等）均能生成2DONW，并在一定条件下最终转化为Bi2S3 N2DONW。该研究还预测了更多的铋系化合物，如γ-Bi2O3，δ-Bi2O3等也可形成具有特殊性能的四方超结构，研究成果发表在ACS Nano上。为了推进该薄膜材料的实用化，该团队又发展了一种大面积（晶元尺度）制备该结构薄膜的新方法，成果已发表在Small上。他们还发展了BiOCl的分层结构并研究了其光学特性，其结果被发表在Nanotechnology上并被英国物理学会（IOP）评为2009年度该学会旗下杂志华人作者十佳论文。

    多年的薄膜制备研究为刘教授的团队承担国家重大研究计划项目“纳米台阶标准物质”奠定了坚实基础。该团队通过与中国计量研究院合作，历经5年，研制成功了达到国际先进水平的纳米台阶系列标准物质（5个），于2011年5月获得国家质检总局颁发的国家一级（最高等级）标准物质证书和中华人民共和国制造计量器具许可证。这是我国首次颁布的物理量纳米标准，填补了国家空白，打破了国际垄断和对我国的进口封锁，使我国成为继美国、德国后的可以生产纳米台阶标准的国家。该标准物质采用了计量型原子力显微镜进行绝对法定值，定值结果直接溯源至激光波长国家基准，定值数据准确可靠，不确定度达到国际先进水平，填补了国家空白，为我国探针型设备，如扫描探针显微镜（SPM）、原子力显微镜（AFM）、台阶仪、轮廓仪等，提供了从纳米到微米尺度的校准用标准物质，并能为这些设备所在实验室的检测结果比对及溯源提供依据，对满足国内半导体、微电子行业应用需求，及推动我国微纳米科学技术的发展具有重要意义。目前已应用于中科院微电子所、中科院半导体所、南开大学、苏州大学、西安交通大学等单位，获得广泛好评，创造了良好的社会经济效益。

    还有许多、许多……刘教授仍在纳米科技的道路上不停地向前迈着坚实的步伐，我们期待着他取得更多更好的创新和突破。