缺陷調(diào)控是光電半導(dǎo)體的核心研究方向。通過摻雜等方式實現(xiàn)缺陷調(diào)控，可以改變光電材料的濃度、空間位置、能級位置等，展現(xiàn)豐富的光電性能，滿足不同場景需求。

 

老一輩科學(xué)家樹立了榜樣，現(xiàn)在國家有需求，青年科學(xué)家也應(yīng)該站出來。國家對科研支持力度越來越大，要在國家需求中尋找感興趣的研究方向并全身心投入，主動尋找切合實際的科研方向。

 

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所薄膜光學(xué)實驗室主任、研究員邵宇川在操作低溫探針臺。本文圖片均由受訪者提供

 

性能優(yōu)異的光電半導(dǎo)體材料及器件在能源、信息、國防等重大領(lǐng)域起到支撐作用，作為光電半導(dǎo)體材料之一，鈣鈦礦因具有高效、輕薄、柔性、彩色等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于各類電子器件。目前，對于鈣鈦礦的缺陷調(diào)控已經(jīng)成為光電半導(dǎo)體領(lǐng)域的核心研究方向?！巴ㄟ^摻雜等方式實現(xiàn)缺陷調(diào)控，可以改變光電材料的濃度、空間位置、能級位置等，展現(xiàn)豐富的光電性能，滿足不同場景需求?！敝袊茖W(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（下稱上海光機(jī)所）薄膜光學(xué)實驗室主任、研究員邵宇川日前在接受專訪時介紹說。

 

邵宇川長期從事鈣鈦礦光電半導(dǎo)體及相關(guān)物理機(jī)制的研究，在器件性能提升、新結(jié)構(gòu)開發(fā)、界面工程等研究方向取得了一系列創(chuàng)新成果。今年8月，邵宇川憑借“光電半導(dǎo)體缺陷調(diào)控”這一研究項目入選“上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計劃”獲獎名單。讓人意想不到的是，如今接任上海光機(jī)所光學(xué)薄膜實驗室第五任主任的邵宇川還曾經(jīng)是一名專業(yè)的乒乓球運(yùn)動員，也正是這段運(yùn)動生涯牽引著他步入物理的世界。

 

　　鈣鈦礦缺陷調(diào)控的多項創(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)，尤其經(jīng)摻雜后形成的晶體缺陷結(jié)構(gòu)和性能，或可被應(yīng)用在固體燃料電池、固體電解質(zhì)、傳感器、高溫加熱材料、固體電阻器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為2013年度十大突破。

 

長期從事鈣鈦礦研究的邵宇川團(tuán)隊通過對鈣鈦礦缺陷調(diào)控的研究，在提升包括太陽能電池等產(chǎn)品性能方面獲得了多項發(fā)現(xiàn)。

 

邵宇川及其合作者原創(chuàng)性地提出了鈣鈦礦太陽能電池能級新模型，新模型指出電荷傳輸層無序性（缺陷能級分布）對器件開路電壓具有重大影響，通過優(yōu)化設(shè)計方向，有序分布缺陷能級，從而顯著提升電池效率。“以前研究人員覺得電荷傳輸層的寬窄分布對電池影響不大，但我們研究發(fā)現(xiàn)，如果能把電荷傳輸層的分布做得更窄，可以大大提高開路電壓”，邵宇川介紹說。

 

除了調(diào)整缺陷分布，如果人為在材料中增加缺陷，又會產(chǎn)生什么效果？2021年，邵宇川及其合作者首次實現(xiàn)鈣鈦礦材料表面n型重?fù)诫s，得到高缺陷重?fù)诫s鈣鈦礦金屬態(tài)表面，材料由半導(dǎo)體態(tài)轉(zhuǎn)向金屬態(tài)，“雖然我們現(xiàn)在在鈣鈦礦內(nèi)部還是摻雜不進(jìn)去，但至少在表面我們可以實現(xiàn)重?fù)诫s。我們以此做了橫向同質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，效率得到提升?！?/p>

 

通過抑制缺陷，減少能量損失，實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池大面積器件的光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在20%，目前全球最高紀(jì)錄是25%，“但光電轉(zhuǎn)換效率要穩(wěn)定超過20%，對缺陷調(diào)控要求很高，實驗室里做到25%和產(chǎn)業(yè)化是不一樣的?！?/p>

 

通過抑制鈣鈦礦缺陷，還可以降低太陽能電池的壽命衰減。十年前，鈣鈦礦太陽能電池的壽命只有5分鐘，目前各個課題組的鈣鈦礦太陽能電池壽命可達(dá)約1000小時，雖然這一結(jié)果距離電池使用壽命超過20年的目標(biāo)仍有差距。

 

此外，鈣鈦礦太陽能電池使用的透明導(dǎo)電電極占器件成本的2/3，邵宇川表示，未來將利用鈣鈦礦材料缺陷實現(xiàn)可控?fù)诫s，擺脫透明導(dǎo)電電極，降低電池成本。

 

在對鈣鈦礦缺陷調(diào)控的研究過程中，邵宇川及其合作者不僅發(fā)現(xiàn)了提升電池效率的方法，還開辟了鈣鈦礦高能粒子探測的新方向。團(tuán)隊對鈣鈦礦本征光電特性進(jìn)行表征，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)界的認(rèn)知大幅提高。載流子是可以自由移動的帶有電荷的物質(zhì)微粒。“載流子能從器件中間到達(dá)器件兩邊的正負(fù)電極，載流子擴(kuò)散距離增大，器件就可以做得很厚，加上鈣鈦礦里有鉛有碘，對X射線的吸收能力很強(qiáng)，鈣鈦礦就可以用來做X射線探測器?！鄙塾畲ū硎荆每煽?fù)诫s提高X射線探測器靈敏度，可以降低檢測限，實現(xiàn)彩色CT，“如果X射線探測器能用上國產(chǎn)材料，儀器成本將大大降低?！?/p>

 

　　乒乓球運(yùn)動員變身物理小天才

 

邵宇川被公認(rèn)為上海光機(jī)所最會打乒乓球的研究員，因為他曾經(jīng)是一名專業(yè)的乒乓球運(yùn)動員。他9歲開始練習(xí)乒乓球，初中打進(jìn)了安徽省隊，雖然不到兩年便選擇了退役，但這段乒乓球的訓(xùn)練生涯也是他對研究物理世界著魔的開始。

 

“乒乓球發(fā)球時，運(yùn)動員為了不讓對手通過發(fā)球手勢來判斷是上旋球還是下旋球，會用手遮擋球，但你如果觀察球在空中的運(yùn)動軌跡也是能夠來判斷的，球不同的旋轉(zhuǎn)方向使得它在空中的飛行軌跡不同，你天天打乒乓球，就有感覺，下旋球飛得更飄，上旋球會往下栽?！鄙塾畲ɑ貞浶r候的打球經(jīng)歷說。

 

從安徽省隊退役回到學(xué)校上課后，邵宇川驚訝地發(fā)現(xiàn)其實只需要一個簡潔的伯努利方程就能解釋自己多年來觀察到的乒乓球旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象?！安匠痰膶嵸|(zhì)是流體的機(jī)械能守恒，流速越大的地方壓強(qiáng)越小。乒乓球往前飛時旋轉(zhuǎn)，球的上半部分和下半部分氣流流速不同，上旋球有一個向下的作用力，所以飛行時軌跡偏下。”有了這個發(fā)現(xiàn)后，邵宇川對物理產(chǎn)生了濃厚的興趣，自主投入了更多時間。雖然之前因為訓(xùn)練耽誤了學(xué)業(yè)，但回到學(xué)校后，他很快便跟上了課程節(jié)奏，從高中開始參加物理競賽，并于2005年考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系。

 

邵宇川參加乒乓球比賽。

 

本科畢業(yè)后，邵宇川進(jìn)入了上海光機(jī)所研究激光薄膜，2012年前往美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校攻讀博士，研究光電半導(dǎo)體，4年后在美國耶魯大學(xué)繼續(xù)從事光電半導(dǎo)體的博士后研究。

 

　　“與其想這想那，不如直接干”

 

剛到美國時，邵宇川并不確定自己是否適合科研這條路，與“科研大牛”相比，他覺得自己還有很大差距，但博士導(dǎo)師北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的黃勁松老師全身心專注投入科研的態(tài)度治愈了邵宇川的精神內(nèi)耗，也成了他的科研引路人?！芭c其想這想那，不如直接干，做的過程中就會發(fā)現(xiàn)樂趣?！?/p>

 

2015年，為了表征載流子的遷移率，邵宇川和師兄在研制對稱器件時發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池正負(fù)極反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。“一個電池做完以后，它的正負(fù)極還會反轉(zhuǎn)過來，這是很不可思議的現(xiàn)象?！鄙塾畲ǜ械皆尞悾欢纫詾樽约鹤鲥e了器件，但科研中一些不符合常理的現(xiàn)象或許就是一個轉(zhuǎn)折機(jī)會?；陔姵卣?fù)極反轉(zhuǎn)的實驗現(xiàn)象，邵宇川和師兄提出諸多猜想，再通過實驗排除，大約一年后，他們發(fā)現(xiàn)，電池正負(fù)極反轉(zhuǎn)是由于鈣鈦礦電池兩邊離子的不同摻雜導(dǎo)致的。他和師兄立馬發(fā)表論文，第一次在鈣鈦礦里發(fā)現(xiàn)了離子移動?！爸按蠹叶家詾殁}鈦礦不穩(wěn)定是受到了水、氧氣、高溫等外部影響，但新研究表明要實現(xiàn)鈣鈦礦的穩(wěn)定性就需要抑制內(nèi)部的離子運(yùn)動?！?/p>

 

敢于質(zhì)疑和探索實驗中的異?，F(xiàn)象，一旦打開了研究領(lǐng)域，邵宇川的研究勢如破竹，發(fā)表了一系列科研成果。博士后出站，他進(jìn)入美國蘋果公司擔(dān)任高級工程師，研發(fā)光電信號轉(zhuǎn)換的Face ID（刷臉認(rèn)證方式）。項目結(jié)束后，2019年邵宇川回到母校上海光機(jī)所，為國家需求做科研，2020年底接棒上海光機(jī)所光學(xué)薄膜實驗室主任。

 

　　科研工作者需要為國家需求服務(wù)

 

在興趣驅(qū)動下，邵宇川在自己的研究領(lǐng)域已經(jīng)取得不少成就，但在接任光學(xué)薄膜實驗室主任后，他毅然挑起攻關(guān)激光薄膜前沿研究的擔(dān)子，把更多精力轉(zhuǎn)移到服務(wù)國家的需求上來。

 

上海光機(jī)所光學(xué)薄膜實驗室是我國歷史最悠久、技術(shù)積淀最深厚的光學(xué)元器件優(yōu)勢實驗室之一，已走過50多年歲月，開拓了我國激光薄膜事業(yè)，幾代“薄膜”人突破一系列“卡脖子”難題，持續(xù)開展我國慣性約束聚變領(lǐng)域的光學(xué)材料、光學(xué)加工以及檢測技術(shù)相關(guān)的攻關(guān)工作。

 

近年來，光學(xué)薄膜實驗室在高性能激光薄膜元件的制備技術(shù)方面取得了重大突破，為我國神光系列高功率激光裝置、超強(qiáng)超短激光裝置等系統(tǒng)提供了大量高性能核心激光薄膜元件，為多項空間激光器型號任務(wù)提供了高性能空間激光薄膜。

 

“實驗室的研究方向一直是為國家需求服務(wù)，我們要把傳統(tǒng)延續(xù)下去，除了守住激光薄膜，也要拓展研究方向?！鄙塾畲ㄕf，“十四五”期間，實驗室將著力拓展激光薄膜調(diào)制波長范圍，包括短波長薄膜和中紅外激光薄膜。

 

“老一輩科學(xué)家樹立了很好的榜樣，現(xiàn)在國家有需求，青年科學(xué)家也應(yīng)該站出來?！比缃?5歲的邵宇川是光學(xué)薄膜實驗室第五任主任，白天忙活薄膜光學(xué)實驗室，拓展激光薄膜研究，晚上管理自己的科研小課題組，攻關(guān)鈣鈦礦缺陷調(diào)控，白發(fā)早已爬上頭。

 

他在科研中兼顧國家需求和個人興趣，“科學(xué)的每一個細(xì)分領(lǐng)域都有各自優(yōu)美之處，只有深入研究才能發(fā)現(xiàn)更多有意思的地方?！鄙塾畲ㄕJ(rèn)為，國家對科研支持力度越來越大，要在國家需求中尋找感興趣的研究方向并全身心投入，同時主動尋找切合實際的科研方向，有時候在實驗室里拍腦袋想出來的研究方向和實際痛點(diǎn)并不一致，只有和需求方經(jīng)過思想碰撞后才會知道實際應(yīng)用的痛點(diǎn)，調(diào)整研究方向，真正滿足國家需求。