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你知道纳米技术除了在探索应用中有巨大的优越性外，同时还可能会对环境和生态带来影响吗？你知道拓扑绝缘体作为一种全新的量子功能材料，具有哪些特性，它在新原理纳电子器件、量子计算、表面催化和清洁能源等方面有怎样的应用前景吗？你知道纳米异质结对可见光和NO2等气体存在光敏和气敏特性吗？在低功函数纳米结构表面，其拥有怎样的光学特性呢？
在微电子与固体电子学、凝聚态物理、材料物理与化学以及光学工程这些学科交叉地带中，来自中山大学电子与信息工程学院的教授刘飞，乐此不疲。一直以来，他都用手中的科研利剑，在各个学科之间“牵线搭桥”，将“天堑”变“通途”。
驰骋纳米世界
上世纪80年代末、90年代初，一种前沿、交叉性的新型学科逐渐发展起来，但令所有人没有料到的是，它的迅猛发展促使21世紀的几乎所有工业领域发生了革命性的变化，也揭开了它的神秘面纱——纳米技术。世界各国相继对纳米科技的研发进行了大量投入，想要在占领这一21世纪科技制高点的争夺战中抢占先机。
中国也不例外。1991年，我国召开了纳米科技发展战略研讨会，对我国纳米科技的研究与发展制定了相关发展战略对策。20多年来，我国在纳米材料和纳米结构研究上取得了一系列引人注目的成就，也吸引了更多在纳米材料领域孜孜不倦探索的科研工作者们加入纳米世界，刘飞就是其中一位。
1995年9月，刚刚高中毕业的刘飞进入吉林大学材料科学与工程专业学习。时光荏苒，大学4年很快过去，不满足于此的刘飞决定继续留校攻读研究生；随后于2002年9月考入中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室，师从高鸿钧院士，攻读凝聚态物理博士学位。在学习与研究中，刘飞的科研才华逐渐显露，关键词当然是纳米。
2005年开始，刘飞开始着手于硼纳米材料的研究。尽管制备过程并不是那么容易，但是他仍然坚持不懈地努力，最终不仅实现了成功制备，还率先在实验上验证硼纳米管具有导电类型不随其手性变化均保持为金属特性的优点，他直言：“这将会引起人们对于硼纳米结构研究领域的又一次关注。”
研究中，刘飞以硼粉和三氧化二硼粉末作为源材料，Fe3O4纳米粒子作为催化剂。反应过程中，Ar/H2气作为工作载气，生长气压为10Torr，温度为1000℃?1200℃，在经过了2?4小时的反应时间之后，刘飞惊奇地发现在衬底有一层黑褐色的薄膜，通过调控升温速度它们在Si衬底上分别成功合成了硼纳米管薄膜和纳米线薄膜，其成果分别发表在Adv.Mater.、Small和J.Mater. Chem.等上。
实验中所制备的硼纳米管的长度约为2mm?4mm，结合HRTEM、EELS、SAED和Raman的研究结果来看，可以判定所制备的硼纳米管为单晶α-四方结构。并且，他推测如果利用快速生长法也许对硼纳米管的生长更加有利。
结果出来后，刘飞并没有如释重负的感觉，虽然有了初步结论，但为了使实验结果更加精确，他率领团队又选取了24根硼纳米管进行了重复测试。在对单根Boron纳米管的电导率和工作电流稳定性进行测试后，他们发现：单根硼纳米管的场发射特性都要优于单根硼纳米线；同时硼纳米管薄膜的整体场发射性能也要优于硼纳米线薄膜，甚至还会优于其他很多具有优良场发射特性的纳米材料都可以比拟。
刘飞还谈到：“不仅如此，我们还将硼纳米管薄膜生长在不锈钢基片上作为阴极，然后将其集成在自制的发光管原型器件结构中，通过结果我们可以判定硼纳米管材料在场发射领域中存在着巨大的潜在应用潜力。”
在Si衬底上将硼纳米管制备的成功，激励了刘飞的斗志。可科技世界日新月异，半导体器件转眼间就从微米尺度下降至纳米尺度，于是单片Si晶圆上集成的纳米器件数目越来越庞大。虽然器件尺度是下降了，可密度却在不断上升，半导体器件的热效应也变得愈发明显，这就在很大程度上限制了纳米材料在该领域的应用。那应该选择什么样的材料呢？刘飞陷入了冥思苦想中。
刘飞总结前人的研究经验，发现B和B4C这两种材料，不仅具有很高的杨氏模量和屈服应力，而且还有很低的密度、很高的熔点和较高的电导率，同时在高温环境中还能表现出较强的抗氧化性，因此他断定这种材料在可携带式柔性纳米电子器件应该具有很好的应用前景，但其研究却迟迟打不开局面。
此外，近年来随着拓扑绝缘体研究的兴起，稀土硼化物纳米材料更是吸引了刘飞的关注。由于其5d电子和4f电子具有强关联作用，稀土硼化物因此被认为是一种理想的Kondo拓扑绝缘体材料。但遗憾的是，受到制备工艺等因素的限制，稀土硼化物晶格中往往会存在一些缺陷或杂质，这会使其体态特性完全掩盖了其表面特性。
在仔细考虑了硼基纳米材料的物理和化学特性，以及材料生长所需要的衬底材料后，他找到了破解迷局的关键点：开展与柔性衬底纳米器件相兼容的硼基纳米材料的制备工艺研究才是最大的挑战。
“从大规模纳电子器件集成的应用角度考虑，高熔点、高电导率、低功函数以及高温下力学性能和电学性能优良的半导体纳米材料，才是我们的首选。”刘飞表示。因此，他选择了功能型硼基纳米材料的结构设计及新奇物性研究作为主要研究方向。
有了方向，研究角度也不容忽视。刘飞首先从硼基纳米材料的结构设计工艺和生长机理研究角度出发，直击要点，解决了柔性衬底上高质量的单晶硼基纳米材料制备工艺难题。其次，他通过元素掺杂和制备异质结器件，来调控纳米结构的物理特性，还分别探索了柔性电子器件结构和强关联型拓扑绝缘体纳米结构。与此同时，他又强调不同磁场和温度下硼基纳米结构的输运特性和磁阻特性也是重中之重，这对于解释和理解硼基纳米材料的输运特性、力学特性及表面量子特性意义重大。所幸，通过对比分析，他最终确定了产生硼基纳米材料新奇物理特性的本征物理机制。
在对硼纳米材料研究中取得了良好进展的刘飞，2010年又开拓了氧化钨纳米线冷阴极阵列的研究工作，在其阵列的图案化低温定域制备技术及其器件工作特性研究中也取得了飞速的进步。他提到，虽然科技界对氧化钨纳米结构的关注度持续在线，W18O49纳米线的优越性更是引人注目，但在实际应用过程中，氧化钨多达几十种结构，使得合成纯相的单晶W18O49纳米线阵列十分困难；同时实现其定域生长这样一个工艺难题使众多研究者望而却步；并且找到既简单又高效的制备方法也是一个很大的挑战。
在微电子与固体电子学、凝聚态物理、材料物理与化学以及光学工程这些学科交叉地带中，来自中山大学电子与信息工程学院的教授刘飞，乐此不疲。一直以来，他都用手中的科研利剑，在各个学科之间“牵线搭桥”，将“天堑”变“通途”。
驰骋纳米世界
上世纪80年代末、90年代初，一种前沿、交叉性的新型学科逐渐发展起来，但令所有人没有料到的是，它的迅猛发展促使21世紀的几乎所有工业领域发生了革命性的变化，也揭开了它的神秘面纱——纳米技术。世界各国相继对纳米科技的研发进行了大量投入，想要在占领这一21世纪科技制高点的争夺战中抢占先机。
中国也不例外。1991年，我国召开了纳米科技发展战略研讨会，对我国纳米科技的研究与发展制定了相关发展战略对策。20多年来，我国在纳米材料和纳米结构研究上取得了一系列引人注目的成就，也吸引了更多在纳米材料领域孜孜不倦探索的科研工作者们加入纳米世界，刘飞就是其中一位。
1995年9月，刚刚高中毕业的刘飞进入吉林大学材料科学与工程专业学习。时光荏苒，大学4年很快过去，不满足于此的刘飞决定继续留校攻读研究生；随后于2002年9月考入中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室，师从高鸿钧院士，攻读凝聚态物理博士学位。在学习与研究中，刘飞的科研才华逐渐显露，关键词当然是纳米。
2005年开始，刘飞开始着手于硼纳米材料的研究。尽管制备过程并不是那么容易，但是他仍然坚持不懈地努力，最终不仅实现了成功制备，还率先在实验上验证硼纳米管具有导电类型不随其手性变化均保持为金属特性的优点，他直言：“这将会引起人们对于硼纳米结构研究领域的又一次关注。”
研究中，刘飞以硼粉和三氧化二硼粉末作为源材料，Fe3O4纳米粒子作为催化剂。反应过程中，Ar/H2气作为工作载气，生长气压为10Torr，温度为1000℃?1200℃，在经过了2?4小时的反应时间之后，刘飞惊奇地发现在衬底有一层黑褐色的薄膜，通过调控升温速度它们在Si衬底上分别成功合成了硼纳米管薄膜和纳米线薄膜，其成果分别发表在Adv.Mater.、Small和J.Mater. Chem.等上。
实验中所制备的硼纳米管的长度约为2mm?4mm，结合HRTEM、EELS、SAED和Raman的研究结果来看，可以判定所制备的硼纳米管为单晶α-四方结构。并且，他推测如果利用快速生长法也许对硼纳米管的生长更加有利。
结果出来后，刘飞并没有如释重负的感觉，虽然有了初步结论，但为了使实验结果更加精确，他率领团队又选取了24根硼纳米管进行了重复测试。在对单根Boron纳米管的电导率和工作电流稳定性进行测试后，他们发现：单根硼纳米管的场发射特性都要优于单根硼纳米线；同时硼纳米管薄膜的整体场发射性能也要优于硼纳米线薄膜，甚至还会优于其他很多具有优良场发射特性的纳米材料都可以比拟。
刘飞还谈到：“不仅如此，我们还将硼纳米管薄膜生长在不锈钢基片上作为阴极，然后将其集成在自制的发光管原型器件结构中，通过结果我们可以判定硼纳米管材料在场发射领域中存在着巨大的潜在应用潜力。”
在Si衬底上将硼纳米管制备的成功，激励了刘飞的斗志。可科技世界日新月异，半导体器件转眼间就从微米尺度下降至纳米尺度，于是单片Si晶圆上集成的纳米器件数目越来越庞大。虽然器件尺度是下降了，可密度却在不断上升，半导体器件的热效应也变得愈发明显，这就在很大程度上限制了纳米材料在该领域的应用。那应该选择什么样的材料呢？刘飞陷入了冥思苦想中。
刘飞总结前人的研究经验，发现B和B4C这两种材料，不仅具有很高的杨氏模量和屈服应力，而且还有很低的密度、很高的熔点和较高的电导率，同时在高温环境中还能表现出较强的抗氧化性，因此他断定这种材料在可携带式柔性纳米电子器件应该具有很好的应用前景，但其研究却迟迟打不开局面。
此外，近年来随着拓扑绝缘体研究的兴起，稀土硼化物纳米材料更是吸引了刘飞的关注。由于其5d电子和4f电子具有强关联作用，稀土硼化物因此被认为是一种理想的Kondo拓扑绝缘体材料。但遗憾的是，受到制备工艺等因素的限制，稀土硼化物晶格中往往会存在一些缺陷或杂质，这会使其体态特性完全掩盖了其表面特性。
在仔细考虑了硼基纳米材料的物理和化学特性，以及材料生长所需要的衬底材料后，他找到了破解迷局的关键点：开展与柔性衬底纳米器件相兼容的硼基纳米材料的制备工艺研究才是最大的挑战。
“从大规模纳电子器件集成的应用角度考虑，高熔点、高电导率、低功函数以及高温下力学性能和电学性能优良的半导体纳米材料，才是我们的首选。”刘飞表示。因此，他选择了功能型硼基纳米材料的结构设计及新奇物性研究作为主要研究方向。
有了方向，研究角度也不容忽视。刘飞首先从硼基纳米材料的结构设计工艺和生长机理研究角度出发，直击要点，解决了柔性衬底上高质量的单晶硼基纳米材料制备工艺难题。其次，他通过元素掺杂和制备异质结器件，来调控纳米结构的物理特性，还分别探索了柔性电子器件结构和强关联型拓扑绝缘体纳米结构。与此同时，他又强调不同磁场和温度下硼基纳米结构的输运特性和磁阻特性也是重中之重，这对于解释和理解硼基纳米材料的输运特性、力学特性及表面量子特性意义重大。所幸，通过对比分析，他最终确定了产生硼基纳米材料新奇物理特性的本征物理机制。
在对硼纳米材料研究中取得了良好进展的刘飞，2010年又开拓了氧化钨纳米线冷阴极阵列的研究工作，在其阵列的图案化低温定域制备技术及其器件工作特性研究中也取得了飞速的进步。他提到，虽然科技界对氧化钨纳米结构的关注度持续在线，W18O49纳米线的优越性更是引人注目，但在实际应用过程中，氧化钨多达几十种结构，使得合成纯相的单晶W18O49纳米线阵列十分困难；同时实现其定域生长这样一个工艺难题使众多研究者望而却步；并且找到既简单又高效的制备方法也是一个很大的挑战。