一直致力于从事无机纳米和晶体材料的基础和应用研究，在纳米材料热力学和动力学、宽禁带半导体晶体材料生长等方面开展了系统的研究。近年来，主要在以下三个领域开展工作：
1、纳米材料热力学和动力学的研究：
1.1、纳米晶基础热力学－纳米晶的相对相稳定性与界面的相关性研究：
纳米尺度下，材料的稳定结构(稳定相) 可能由于其表面自由能的大量增加而产生变化，最终影响材料的性能。国际上有许多研究小组已对与尺寸相关的纳米材料相稳定性问题开展了系列研究。然而，在许多研究体系中发现：对于同一材料，在同一纳米尺寸下，其不同相的相对热力学稳定性的问题在国际上一直存在很大的分歧和争议。本人发现前期研究者们仅注意到纳米晶表面积的增大对稳定性的影响，而忽视了纳米晶的界面相互作用的影响。在认识到这一点后，我作为助理研究员在加州大学伯克利分校以及“百人计划”回国初期与国外合作者一起针对这一问题开展了系列研究工作：
1）纳米颗粒聚集度对其热力学相稳定性的影响：发现了在惰性溶剂甲醇中所合成的高表面自由能的硫化锌纳米晶的聚集和分散伴随有可控、可逆的室温相转变。Phy. Rev. Lett. 92(2004), Art. No. 155501.一经发表即被美国物理学会收为纳米科技领域重要文献；2）在纳米颗粒表面吸附对其热力学相稳定性的影响的工作中，与研究者合作结合分子动力学模拟的方法研究水的吸附对硫化锌热力学相稳定性的影响，论文发表在Nature 424(2003), 1025杂志上。本人在此文中的贡献是i)表面相关的纳米相转变理论的提出；ii)对高表面自由能的纳米材料的合成；iii)纳米可逆相变过程的实验设计和证实。3）在纳米晶结构扭曲度的研究中，申请人与美国的合作者发展了一种通过测量晶体中的原子对有序度来判断纳米晶的结构扭曲度的方法，论文发表在Science 305(2004), 651和Nano Lett. 6(2006), 605上。首次清楚地证实了纳米材料内部的结构扭曲度直接相关于材料的界面吸附状态。
以上工作的意义主要在于在国际上开创了纳米材料相稳定性与表面吸附和聚集状态相关性的研究，提出了表界面相关的纳米相转变理论。实现了可控、可逆的纳米晶相转变。发展了判断纳米晶的结构扭曲度的普适性新方法。以上工作已经被他引340余次。
1.2、热力学稳定的纳米相的发现及表观负表面自由能概念的提出与证实：
在纳米科学领域“纳米材料相对于其块材来说是亚稳相，纳米材料的界面能总为正值”已成为公论。我们在前期研究纳米材料的热稳定性与表界面关联作用的基础上，继续开展深入研究，创新性地提出：“在极强的界面作用下，会出现界面的自由能为负值的情况”这一设想，并通过发现了在硫化锌饱和的高浓氢氧化钠溶液中，硫化锌以纳米尺寸热力学稳定存在这一实验事实，直接证实了负界面自由能的存在。文章发表在J. Am. Chem. Soc. 128 (2006), 6126上。该研究的意义在于：改变了人们对纳米热力学的一些传统认识，所阐明的问题有1）首次实验验证了在另一液相存在的情况下，可以出现热力学稳定的纳米相；2）首次将热力学稳定的纳米相与表观负界面自由能这两个概念联系起来，并阐明了近年来一些概念争议（丹麦的研究人员Nature Materials 3(2004),289； 美国科研人员的质疑Nature Materials 4(2005),186）；3）从实验上首次证实了材料的表面自由能不仅与表面吸附相关，而且与颗粒的尺寸相关。
研究对于开创全新的纳米合成技术也有重要意义。在随后发表于Chem. Mater. 20(2008), 2438的相关工作中，揭示了一种通过热力学手段阻止纳米材料自发长大倾向，从而实现窄尺寸分布的纳米材料合成新思路。目前为止，尺寸控制困难的本质原因在于纳米材料相对于其块材是一个热力学亚稳相。由于纳米材料的自发长大倾向，通常是使用高超的合成技巧和动力学控制手段来阻止合成材料的进一步粗化，从而形成材料的窄尺寸分布。我们的工作揭示了一种通过热力学手段合成窄尺寸分布(甚至是零尺寸分布) 的纳米材料的新思路：在一个体系中创造条件使得某一特定尺寸的纳米颗粒在其中是热力学稳定，那么任何其他尺寸的颗粒(包括块材) 都会自发地转化为这一特定的纳米材料。从而实现不论反应前体和途径的纳米材料的稳定合成。本研究在理论使得纳米材料的宏量合成成为可能，并通过实践证实了可以通过创造热力学稳定条件的手段来实现具有高效催化性能但本身不稳定的ZnS纳米光催化材料的再生循环利用（Nanoscale 2(2010), 2062）。
1.3、纳米材料的生长动力学、相变和发光机制的研究：
纳米晶生长和相变动力学机制是纳米科学研究的一个重要基础方向，它直接与控制纳米晶的合成以及物理化学性能等密切相关。当晶粒的尺寸减小到纳米的时候，许多在块材条件下不可能出现的生长与相变模型将在纳米晶体的生长过程中出现，这导致了纳米晶生长相变机制的多样性和复杂性。目前为止，无机纳米化学的研究主流还停留在对纳米合成技术的探讨上，而对从根本上影响纳米材料合成的生长和相变机制较少开展研究。我们瞄准纳米相变和生长动力学这一前沿领域，以探索和发现新的纳米晶生长和相变机制为研究重点，开展了系列有创新性的工作。
晶体生长通常是通过小颗粒溶解、大颗粒长大的Ostwald ripening(OR)过程进行。OR机制难以解释纳米体系出现的复杂生长现象。本人是纳米晶新生长机制“取向结合-oriented attachment”(OA)动力学研究的开创者，在美国工作期间提出了首个纳米晶OA一级生长的动力学模型(Nano Lett.3(2003), 373)，回国后在此工作的基础上，我们提出了通过引入强表面作用热力学禁阻OR生长，克服了OA机制常与OR机制共存导致的动力学研究困难，获得了纯的OA机制控制生长条件，并在详实的实验数据基础上的首次提出了“类分子反应”多级OA生长动力学模型。证实了纳米材料可在很大尺寸范围内实现OA多级快速生长。文章发表在J. Am. Chem. Soc. 128 (2006), 12981上。在动力学研究深入的基础上，我们还开展了纳米材料生长机制与其微结构和发光机制的关联研究：研究了纳米荧光材料分别在OR与OA过程中缺陷态及基本形态的产生历程，揭示了生长过程à内部缺陷微结构à光生载流子的复合机制的关系，研究结果发表于J. Am. Chem. Soc. 132(2010), 9528上。研究首次揭示了发光机制与生长机制的关系。以上关于表界面调控纳米材料OA生长和脱附规律的基础研究已引起国际同行的关注，发表于Nanoscale 2(2010), 18的OA生长动力学的综述论文在发表当月被点击下载500多次，为该刊物当月最高下载论文。
在纳米晶相变领域，本人首次发现并提出了一种与纳米晶尺寸相关的相变机制。研究提出了在纳米尺度下，一些原本在高温才能发生的相变可以在近室温下进行，相变动力学与新旧相界面面积密切相关(J. Am. Chem. Soc. 127(2005), 4523)。深入研究表明这种新现象是由于纳米晶中存在着一种与原子集体迁移相关的相变机制而导致的。研究结果对于理解纳米晶的相变动力学、特殊形态和微结构的纳米晶材料合成均具有指导意义。在此基础上，我们与同行合作提出了纳米材料的快速集体相变生长的原理，并成功地利用此思路来消除环境有害纳米物质(Angew. Chem.Int. Ed 2008)，发明了一种针对我国氯酸盐企业共有的纳米铬渣污染的铬脱附处理技术并通过吨级中试，实现铬和脱毒渣高附加值回收利用，成果通过省级鉴定（第四完成人、闽科鉴字[07]第64号）。基于快速集体相变生长原理的技术，目前已经在相关企业建立了中试示范线，实现了铬的全回收利用和废渣的高附加值利用。该系列的工作已被国际同行他引300余次，其中有较多大篇幅的评论和引用。
2、宽禁带半导体材料与器件：
宽禁带半导体材料是当前半导体材料研究的热点。本人结合自身和所在单位的优势，瞄准当前宽禁带半导体领域中的难点－氧化锌材料开展工作。以氧化锌材料的单晶生长为基点，带领攻关团队，在低成本大尺寸单晶的生长、同质外延氧化锌器件、利用氧化锌单晶进行相关的基础科学研究三个方面均开展了有特色的研究工作，具体如下：
2.1、水热法生长大尺寸氧化锌优质半导体晶体材料：
优质、低缺陷、大尺寸的氧化锌单晶是氧化锌光电器件所需的核心材料之一。作为竞争性新行业的关键性材料，国际上所出售的优质氧化锌晶片的价格不仅非常高昂，而且禁售尺寸大于1平方厘米以上的晶片。制约了我国氧化锌光电行业的发展及广泛应用。因此，发展自主的、优质、大尺寸、低成本的氧化锌单晶的生长技术具有极其重要的意义。本人在热力学研究的基础上，发明了一种利用化学势原理来控制晶体中的杂质和缺陷浓度的水热生长方法。与传统LiOH+KOH矿化剂水热生长ZnO的方法相比，该方法所获得的晶体质量高，生长温度和压力低，不须使用昂贵内衬即可获得与日本方法相当的优质晶体；该方案具有自主知识产权，而且成本低。为了攻克大尺寸晶体生长的技术难题，通过带领研究团队创建了高压水热晶体生长实验室，设计并研制出各类合适的压力釜，攻克了耐温、耐压、耐腐蚀等技术难关，解决了水热法生长ZnO的一系列难题。目前已设计研制了系列内径最大为90mm的水热高压釜，同时还设计研制了配套的加热控温装置。以此设备为基础，优化了水热生长中的温场、流场和浓度场等生长工艺参数，完善了生长工艺，已能够一次性批量生长出近百片尺寸为30×30-40×40mm的近无色氧化锌单晶，单晶最大尺寸已超过两英寸，相关工作发表在Crystal Growth & Design 9(2009), 4378上。该法因生长成本低、具有重要的产业化应用前景，受到相关部门重点、基金委重点、973子课题以及中科院方向性项目子课题支持。当前优质晶体生长已经逐渐走向产业化，突破了国外的封锁。
2.2、日盲型紫外探测器的研制：
日盲型的紫外探测器是一类具有重要应用前景的高端光电子器件。在森林防火、电网监控等方面均有着重大战略需求。当前这方面的器件研制，国内外都主要以氮化镓基材料为主开展研究，而由于氮化镓基器件难以找到同质外延的衬底，目前国内外此方面的研究受到比较大的瓶颈性制约，无法制出符合需求的优质器件。申请人在相关单位和中科院的支持下，提出了制造氧化锌基同质外延器件的研发思路，并在此工作上取得了重要的系列进展：通过利用自主设计的高温慢速薄膜沉积系统，成功制备出了Mg含量从0.3~0.50的单一六方相的高质量的MgZnO厚膜材料，其在日盲区的光响应率达到国际最好水平。在此基础之上，通过优化器件设计和电极制造技术，解决了日盲紫外探测器制造的系列工艺性问题，并制造出性能优异的紫外探测器原型单元和线列器件，顺利并且超额完成了任务(Appl. Phys. Lett. 98(2011) Art. No. 221112)，受到了好评。
2.3、宽禁带半导体材料物理与相关化学机制研究：
单晶体有着完整的晶格和可指认的晶面，是研究许多基本物理化学问题及其机制的良好材料。我们利用在晶体生长方面的优势，面向当前基础研究中的一些尚未解决并存在很大争议的物理和化学机制问题，分别在稀磁半导体磁耦合机制和光催化机制两个领域开展工作，均提出了有创见性的认识。1）获得了高质量的Co:ZnO单晶并对其进行与稀磁相关的磁耦合问题进行基础研究，相关工作发表在Appl. Phys. Lett. 89 (2006)Art. No. 112507上，证实了在氧化锌中是缺陷而不是自由载流子起到对材料中磁耦合的决定作用，用确凿的实验证据，解决了氧化锌中稀磁特性来源的争议。06年发表后被他引用19次。2）利用氧化锌的极性单晶面进行光催化机制的研究，发现在氧化锌中与TiO2体系不同的光催化机制。相关的研究论文在Chem. Commun. 44(2009), 6783上发表，并入选Nature China的研究热点（Highlight），Nature Chemistry的副主编Anne Pichon为此撰写题为“Electrons over holes”的评述文章，认为：“过渡金属氧化物的光催化效应众所周知，但是相关机理仍处在争议中。物构所的研究人员利用ZnO体单晶不同晶面的差异设计光催化实验，首次从实验上验证了在氧化锌材料中是光生电子在光催化过程中起到最主要的作用，而不是像通常光催化研究者所理解的是光生空穴起主要作用。”3）利用在氧化锌单晶表面构建具有不同深度和强度的电场，发现了表面电场和光催化效能之间的本质性规律，从半导体能带和空间电荷分布的角度进一步地揭示了光催化材料性能改进的思路和方法。相关的研究论文在Chem. Commun. 47(2011), 4517上发表。
新型宽禁带半导体材料晶体研制：在前期研发的大尺寸、低成本水热技术的支撑下，我们还进行了新型的宽禁带半导体单晶生长的探索研究： 1）宽禁带半导体大多数本征状态为n型，寻找p型的宽禁带半导体材料十分重要。我们生长出了目前为止具有最高空穴迁移率的新型宽禁带半导体―CuI单晶，其尺寸已达厘米级，该晶体有望发展出新类型的宽禁带半导体器件，并可能在超快响应的闪烁晶体领域有潜在应用前景。相关工作发表在Crystal Growth & Design 10(2010), 2057上。2）有着高热稳定性的高电子浓度的氧化锌材料在制造高性能的氧化锌器件上有重要的意义。我们生长出厘米级的Ga:ZnO，该晶体有着极高的半导体热稳定性，可望直接用以制造出高性能、直立式的氧化锌器件。相关工作发表在CrystEngComm 13(2011), 3338上。
3、冶金法提纯太阳能级硅材料：
新世纪以来，能源问题逐渐成为当前人类发展面临的最大瓶颈之一，发展太阳能发电产业是最终解决能源问题的必由之路。而太阳能光伏产业实用化的限制瓶颈在于能否获得低成本的太阳能级硅材料。冶金法提纯硅具有低能耗、低成本、低污染等优点，将可能最终解决太阳能硅材料价格瓶颈问题。在获得杰出青年基金资助后，本人根据中科院和福建省的战略需求。在提炼技术研发和硅材料标准检测和机理机制研究平台建设两个方面，取得如下成果，主要如下：
3.1、关键性元素B的去除：目前冶金法硅材料中硼元素的去除是制约该技术和产业发展的核心科学和技术问题。我们结合相图原理和热力学平衡思路，通过重点研究纳米结构与除硼反应热力学/动力学机制、界面作用等核心科学问题，从而获得纳米材料和纳米技术除杂的新原理新方法。在此方法的指导下，本人带领攻关团队开展实际的除硼技术研发；发展出一套有自主知识产权的50公斤级中试提炼设备和低成本提炼工艺。通过深入研究除硼机理，优化热场、气氛、动力学参数以及纳米除硼剂，稳定获得B～0.5ppmw的优质硅材料。再经进一步提炼后，材料可达到B～0.5ppmw、P～0.2ppmw、总有害金属～0.1ppmw的水平，完全满足太阳能级硅材料的要求。所提炼的硅材料制造出的太阳能电池效率>15%。与一家企业合作，利用上述原理指导其提升产品质量，产品已获欧洲著名电池厂商的认可，并签订了长期供货合同。以上成果已申请发明专利4项，并准备依托此技术进行产业转移转化，组建冶金法提纯的高技术公司。
3.2、研发平台的建设：主持建设了我国第一家冶金法太阳能级硅的检测和研究平台，为福建省和全国硅冶炼企业产业升级所面临的问题提供指导和服务，为地方企业节省近150万研发测试费用，加快了企业通过自主研发冶金法提纯多晶硅的进程。申请人还主持制定了与高纯硅检测相关的1项福建省地方标准和3项企业标准，填补了国内空白，为高纯硅材料的测试国标奠定了良好的基础。在申请人的努力下，相关的研究检测平台已经逐渐发展成为国内最为完备的太阳能级硅测试平台体系。其中硅材料杂质检测部分已经逐渐发展成为我国具有公信力的标准检测平台，其CMA认证已初步通过了审查。
