缺陷調(diào)控是光電半導(dǎo)體的核心研究方向，通過摻雜等方法可以實(shí)現(xiàn)缺陷調(diào)控，從而改變光電材料的濃度、空間位置、能級(jí)位置等，展現(xiàn)出豐富的光電特性，滿足不同場(chǎng)景的需求。
老一輩科學(xué)家樹立了榜樣，現(xiàn)在國(guó)家有需要，年輕科學(xué)家也要挺身而出，國(guó)家對(duì)科研的支持力度越來越大，我們要在國(guó)家需要中尋找自己感興趣的研究方向，投身其中，主動(dòng)尋找切實(shí)可行的研究方向。
中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任、研究員邵宇川在操作低溫探針站。本文所有圖片均由受訪者提供
性能優(yōu)異的光電半導(dǎo)體材料與器件在能源、信息、國(guó)防等重大領(lǐng)域發(fā)揮著支撐作用。鈣鈦礦作為光電半導(dǎo)體材料之一，憑借高效、輕薄、柔性、顏色等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各類電子器件中。目前，鈣鈦礦缺陷調(diào)控已成為光電半導(dǎo)體領(lǐng)域的核心研究方向。“通過摻雜等方法進(jìn)行缺陷調(diào)控，可以改變光電材料的濃度、空間位置、能級(jí)位置等，展現(xiàn)出豐富的光電特性，滿足不同場(chǎng)景的需求。”中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任、研究員邵玉川近日在接受專訪時(shí)表示。
邵昱川長(zhǎng)期從事鈣鈦礦光電半導(dǎo)體及相關(guān)物理機(jī)制研究，在器件性能提升、新型結(jié)構(gòu)開發(fā)、界面工程等研究方向取得了一系列創(chuàng)新性成果。今年8月，邵昱川以“光電半導(dǎo)體缺陷調(diào)控”研究項(xiàng)目入選“上海市科技青年35領(lǐng)軍計(jì)劃”。讓人意外的是，現(xiàn)就任上海光機(jī)所光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室第五任主任的邵昱川，曾是一名職業(yè)乒乓球運(yùn)動(dòng)員，正是這段運(yùn)動(dòng)生涯，將他帶入了物理學(xué)的世界。
鈣鈦礦缺陷調(diào)控多項(xiàng)創(chuàng)新研究成果
鈣鈦礦是指一類陶瓷氧化物。鈣鈦礦復(fù)合氧化物具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，特別是摻雜后形成的晶體缺陷結(jié)構(gòu)和性能，可能應(yīng)用于固體燃料電池、固體電解質(zhì)、傳感器、高溫發(fā)熱材料、固體電阻器以及替代貴金屬的氧化還原催化劑等諸多領(lǐng)域。《科學(xué)》和《自然》雜志曾將鈣鈦礦太陽能電池評(píng)為2013年十大突破之一。
邵昱川團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事鈣鈦礦研究，通過對(duì)鈣鈦礦缺陷調(diào)控的研究，在提升包括太陽能電池在內(nèi)的產(chǎn)品性能方面取得了多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。
邵昱川與合作者原創(chuàng)性地提出了鈣鈦礦太陽能電池的全新能級(jí)模型。新模型指出上海初中物理科學(xué)家，電荷傳輸層的無序性（缺陷能級(jí)分布）對(duì)器件的開路電壓有顯著影響。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，使缺陷能級(jí)有序分布，可顯著提高電池效率。“此前研究人員認(rèn)為，電荷傳輸層的寬窄分布對(duì)電池影響不大，但我們的研究發(fā)現(xiàn)，如果能把電荷傳輸層的分布做得更窄，開路電壓就能得到大幅提升。”邵昱川說。
除了調(diào)整缺陷分布，如果在材料中人為地添加缺陷，會(huì)產(chǎn)生什么效果呢？2021年，邵宇川與合作者首次在鈣鈦礦材料表面實(shí)現(xiàn)n型重?fù)诫s，獲得了高缺陷重?fù)诫s鈣鈦礦金屬表面，材料從半導(dǎo)體態(tài)變成了金屬態(tài)。“雖然我們還不能在鈣鈦礦內(nèi)部摻雜，但至少可以實(shí)現(xiàn)表面重?fù)诫s。我們用這個(gè)做了橫向同質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，效率有所提高。”
通過抑制缺陷，減少能量損失，大面積鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)穩(wěn)定在20%，目前的世界紀(jì)錄是25%。 “但要把光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在20%以上，對(duì)缺陷的控制要求很高。在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)25%和工業(yè)化是不一樣的。”
通過抑制鈣鈦礦缺陷，太陽能電池的壽命也能縮短。十年前，鈣鈦礦太陽能電池的壽命僅為5分鐘。目前，各個(gè)研究小組的鈣鈦礦太陽能電池壽命可以達(dá)到1000小時(shí)左右上海初中物理科學(xué)家，盡管這一結(jié)果距離電池壽命超過20年的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)。
此外，鈣鈦礦太陽能電池所用的透明導(dǎo)電電極占到器件成本的2/3，邵宇川表示，未來將利用鈣鈦礦材料的缺陷，實(shí)現(xiàn)可控?fù)诫s，擺脫透明導(dǎo)電電極，降低電池成本。
在研究鈣鈦礦缺陷調(diào)控過程中，邵昱川與合作者不僅發(fā)現(xiàn)了提升電池效率的途徑，還為鈣鈦礦高能粒子探測(cè)開辟了新方向。團(tuán)隊(duì)表征了鈣鈦礦本征光電性質(zhì)，在超低缺陷密度條件下，載流子擴(kuò)散距離大于3毫米，比此前學(xué)術(shù)認(rèn)識(shí)有顯著提升。載流子是可以自由移動(dòng)的帶電物質(zhì)粒子。“載流子可以從器件中間到達(dá)器件兩側(cè)的正負(fù)電極，載流子擴(kuò)散距離增大，器件可以做得很厚。另外，鈣鈦礦中含有鉛和碘，對(duì)X射線有很強(qiáng)的吸收能力，鈣鈦礦可以作為X射線探測(cè)器。”邵昱川說，利用可控?fù)诫s提高X射線探測(cè)器靈敏度，可以降低探測(cè)極限，實(shí)現(xiàn)彩色CT。“如果X射線探測(cè)器能用上國(guó)產(chǎn)材料，儀器成本會(huì)大大降低。”
乒乓球運(yùn)動(dòng)員變身物理天才
邵宇川被公認(rèn)為上海光機(jī)所最優(yōu)秀的乒乓球選手，因?yàn)樗?jīng)是一名職業(yè)乒乓球運(yùn)動(dòng)員。他9歲開始練習(xí)乒乓球，初中時(shí)進(jìn)入安徽省隊(duì)。雖然不到兩年就選擇退役，但這段乒乓球訓(xùn)練生涯也是他癡迷研究物理世界的開始。
“發(fā)乒乓球的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)員會(huì)用手捂住球，不讓對(duì)手通過發(fā)球手勢(shì)判斷是上旋球還是下旋球。但通過觀察球在空中的軌跡，也可以判斷出來。球的旋轉(zhuǎn)方向不同，在空中的飛行軌跡也不同。如果你每天都打乒乓球，就會(huì)感覺到下旋球飛得比較輕，而上旋球會(huì)往下墜。”邵宇川回憶起小時(shí)候打乒乓球的經(jīng)歷說。
從安徽省隊(duì)退役回到學(xué)校后，邵宇川驚奇地發(fā)現(xiàn)，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的伯努利方程，就能解釋自己觀察多年的乒乓球旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。“伯努利方程的本質(zhì)是流體的機(jī)械能守恒，流量越大，壓強(qiáng)越小。乒乓球在向前飛行時(shí)會(huì)旋轉(zhuǎn)，球的上下部氣流速度不同，上旋球有向下的力，所以飛行時(shí)軌跡是向下的。”這一發(fā)現(xiàn)之后，邵宇川對(duì)物理產(chǎn)生了濃厚的興趣，自學(xué)投入了更多時(shí)間。雖然之前因?yàn)橛?xùn)練耽誤了學(xué)業(yè)，但回到學(xué)校后，他很快趕上了課程節(jié)奏。高中時(shí)他開始參加物理競(jìng)賽，2005年考入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系。
邵宇川參加乒乓球比賽。
大學(xué)畢業(yè)后，邵昱川進(jìn)入上海光學(xué)精密機(jī)械研究所從事激光薄膜研究，2012年赴美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校攻讀光電半導(dǎo)體博士學(xué)位，四年后又在美國(guó)耶魯大學(xué)繼續(xù)從事光電半導(dǎo)體博士后研究。
“與其想這個(gè)想那個(gè)，不如直接去做”
初到美國(guó)，邵昱川并不確定自己是否適合走科研這條路，與“科研大咖”相比，他覺得自己還有很長(zhǎng)的路要走。不過，他的博士生導(dǎo)師、北卡羅來納大學(xué)教堂山分校教授黃金松全身心投入科研，治愈了邵昱川的精神疲憊，還成為了他的科研引路人。“與其想這想那，不如直接去做，你會(huì)在做的過程中找到樂趣。”
2015年，為了表征載流子的遷移率，邵昱川和師兄在研制對(duì)稱器件時(shí)，發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池正負(fù)極翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。“一個(gè)電池做出來之后，它的正負(fù)極會(huì)翻轉(zhuǎn)，這是一個(gè)很不可思議的現(xiàn)象。”邵昱川很驚訝，以為自己做錯(cuò)了器件，但科研中的一些不合理現(xiàn)象，或許是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。基于電池正負(fù)極翻轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，邵昱川和師兄提出了很多猜想，然后通過實(shí)驗(yàn)一一排除。大約一年后，他們發(fā)現(xiàn)電池正負(fù)極翻轉(zhuǎn)是因?yàn)殁}鈦礦電池兩邊離子摻雜不同造成的。他和師兄隨即發(fā)表論文，首次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦中的離子運(yùn)動(dòng)。 “大家都認(rèn)為鈣鈦礦的不穩(wěn)定性是由于水、氧氣、高溫等外界影響造成的，但新的研究表明，要實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦的穩(wěn)定性，必須抑制內(nèi)部離子的運(yùn)動(dòng)。”
敢于質(zhì)疑，探索實(shí)驗(yàn)中的異常現(xiàn)象。一旦開辟研究領(lǐng)域，邵昱川的研究便一發(fā)不可收拾，發(fā)表了一系列科研成果。完成博士后研究后，他以高級(jí)工程師身份加入美國(guó)蘋果公司，開發(fā)了光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的Face ID（人臉識(shí)別方法）。項(xiàng)目結(jié)束后，邵昱川2019年回到母校上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，為國(guó)家需求開展科研工作。2020年底，他接任上海光學(xué)精密機(jī)械研究所光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室主任。
研究人員需要服務(wù)國(guó)家的需求
在興趣的驅(qū)動(dòng)下，邵玉川在研究領(lǐng)域取得了不少成果，但接任光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室主任后，他毅然承擔(dān)起激光薄膜前沿研究的攻關(guān)重?fù)?dān)，把更多的精力轉(zhuǎn)向服務(wù)國(guó)家。
上海光學(xué)精密機(jī)械研究所光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)歷史最悠久、技術(shù)最先進(jìn)的光學(xué)元件實(shí)驗(yàn)室之一，建所至今已有50多年歷史，開創(chuàng)了我國(guó)激光薄膜產(chǎn)業(yè)的先河。幾代“薄膜”人突破了一系列“瓶頸”難題，持續(xù)開展著我國(guó)慣性約束聚變領(lǐng)域光學(xué)材料、光學(xué)加工和檢測(cè)技術(shù)等相關(guān)研究工作。
近年來，光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室在高性能激光薄膜元件制備技術(shù)上取得重大突破，為我國(guó)神冠系列高功率激光器、超強(qiáng)超短激光器等系統(tǒng)提供了大量高性能核心激光薄膜元件，并為多個(gè)空間激光模型任務(wù)提供了高性能空間激光薄膜。
“實(shí)驗(yàn)室的研究方向一直是服務(wù)國(guó)家需求，我們要延續(xù)傳統(tǒng)，除了保護(hù)好激光薄膜，還要拓展研究方向。”邵玉川說，“‘十四五’期間，實(shí)驗(yàn)室將重點(diǎn)拓展激光薄膜的調(diào)制波長(zhǎng)范圍，包括短波長(zhǎng)薄膜、中紅外激光薄膜等。”
“老一輩科學(xué)家樹立了很好的榜樣，現(xiàn)在國(guó)家有需要，年輕的科學(xué)家也要站出來。”現(xiàn)年35歲的邵昱川是光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室第五任主任，白天他在薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室忙碌英語作文，拓展激光薄膜研究，晚上則管理著自己的小科研小組，攻克鈣鈦礦缺陷調(diào)控難題，他的頭發(fā)早已花白。
他在科研上兼顧國(guó)家需求和個(gè)人興趣。“科學(xué)的每一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域都有自己的美，只有深入研究，才能發(fā)現(xiàn)更多有趣的東西。”邵昱川認(rèn)為，國(guó)家對(duì)科研的支持力度越來越大，要根據(jù)國(guó)家需求，找到感興趣的研究方向，全身心投入其中。同時(shí)，要主動(dòng)尋找切實(shí)可行的科研方向。有時(shí)候我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室想出的研究方向，與實(shí)際的痛點(diǎn)并不一致，只有與需求方進(jìn)行思想碰撞后，才能知道實(shí)際應(yīng)用的痛點(diǎn)，調(diào)整研究方向，真正滿足國(guó)家需求。