欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们
惟精惟一 添彩“视”界

来源:  发布时间:2024-02-01

  ——记浙江大学材料科学与工程学院教授何海平

   王 芳  王 辉

  

  钙钛矿,最初指一种由钛酸钙组成的天然矿物,后来指满足ABX3结构(AB是两种阳离子,X是阴离子)的化合物家族。其中,卤化物钙钛矿是一种新型半导体光电材料。2009年日本科学家制备出全球第一个卤化物钙钛矿太阳能电池器件,让钙钛矿获得了极大关注。

  2009年到2012年,钙钛矿展示了在光伏领域的可观前景,相关研究如火如荼。而一直从事半导体发光材料研究、时为浙江大学材料科学与工程学院副教授的何海平,却瞄准了钙钛矿的另一种性能——发光。他解释道:“卤化物钙钛矿半导体拥有绝佳的光电性能,可以将光转换为电,也可以将电转换为光,前者可以应用到光伏领域,后者则可以应用到发光显示领域。”

  2012年,何海平投身钙钛矿发光研究。至今十余年,他见证了钙钛矿从实验室走向建产线、出产品、展应用的艰难而令人振奋的全过程。其间,他和团队在叶志镇院士的带领下,克服重重挑战,首创全固态钙钛矿量子点及发光母粒制备技术,突破了钙钛矿量子点发光稳定性关键难题。20237月,钙钛矿量子点发光材料和显示用扩散板产线建成。如今,凝结团队无数汗水和心血的学术成果正飞驰在产业落地的“最后一公里”上,何海平期待钙钛矿为显示市场带来新的活力和惊喜,为“视”界增添缤纷亮丽的色彩。


独辟蹊径 让钙钛矿稳定发光


  在进入钙钛矿领域之前,何海平已在半导体发光材料研究领域摸爬滚打13年,积累了比较丰富的经验。

  2004年,何海平从中国科技大学获得博士学位后,加入了浙江大学材料科学与工程学院硅材料国家重点实验室(现硅及先进半导体材料全国重点实验室)叶志镇教授(2019年当选中国科学院院士)课题组。叶志镇教授自1988年就确立了浙江大学半导体薄膜研究方向,长期致力于宽禁带半导体氧化锌等无机光电薄膜材料及关键技术研究。“叶老师开辟了浙江大学的半导体薄膜研究方向,开创国内半导体氧化锌薄膜掺杂研究先河。而氧化锌材料最受期待的应用就是发光,这些都与我求学时的研究兴趣和方向相契合。”在何海平眼中,叶志镇教授身上有一种百折不挠、全力探究的科学精神。无论多么困难的课题,他总是坚定地推进,乐观地探索,不断尝试各种办法。这种敬业精神深深感染着何海平。

  2012年,在钙钛矿作为一种新型半导体光伏材料方兴未艾的时候,叶志镇院士领导组建了钙钛矿发光研究团队,何海平是其中的骨干成员。“相比传统半导体材料,钙钛矿的制备采用溶液工艺,更为简便。钙钛矿的原料也并不稀有。”于是,研究的难点集中在性能的提升。

  显示技术从20世纪中叶发展以来,已相继出现了液晶显示(LCD)、有机发光二极管(OLED)等技术,正走向量子点显示时代。2023年诺贝尔化学奖颁给“发现和合成量子点”的3位科学家,更是引起各界对量子点显示应用的极大关注。量子点显示的主要优势在于能够发出高效、高纯度红绿蓝光,极大提升显示画质。但目前使用的量子点发光材料要大规模应用,还存在至少3个挑战:一是含有重金属镉,存在环保问题;二是核心技术和专利大多掌握在外国手中;三是产业化应用仍存在稳定性问题。与此相比,钙钛矿发光量子点不含镉,由我国自主研发,拥有自主知识产权。此外,钙钛矿量子点不仅显示性能极高,色域可大于140%NTSC(美国国家电视标准),成本也更低。

  然而,常规液相法合成的钙钛矿量子点在显示产品制造及应用时,难以承受高温、高湿、强蓝光辐照等苛刻的条件。因此,必须开发钙钛矿量子点制备新技术和新工艺,以解燃眉之急。但钙钛矿在优异的光电性能之外,却有一个致命缺陷——低稳定性。如何在保证发光效率的同时,提升钙钛矿量子点稳定性呢?何海平和同事们开始一次次不懈地尝试和探索。

  最终,团队首创双基质包覆全固态量子点制备技术,一举克服了钙钛矿量子点发光的稳定性难题。这一技术采用高温制备,控制钙钛矿量子点的结晶过程,提升热稳定性;采用双基质包覆方式,提升钙钛矿量子点的水、光稳定性。“这种双包覆的方式,我们形象地称之为‘石榴结构’。量子点像一颗颗石榴子一样,先被果肉包覆,后又被外层的石榴皮包覆,将影响其稳定性的水、氧隔绝在外,并有效抑制因光照和加热产生的缺陷。”团队历经多次迭代和优化,他们不断提升量子点综合性能。在这过程中,也不断加深了对钙钛矿材料及其发光的认识,并将这些认识扩展到钙钛矿LED器件研究中,先后4次刷新了钙钛矿LED发光效率的世界纪录。团队多篇论文在《自然光子学》(Nature Photonics)、《自然通讯》(Nature Communications)、《科学进展》(Science Advances)、《信息材料》(InfoMat)等期刊发表。

  实验室的果实沉甸甸地挂在枝头,接下来,需要做的就是精心加工,把它们送到市场上去。为推动钙钛矿量子点成果转化,团队在浙江大学温州研究院的孵化下,成立了温州锌芯钛晶科技有限公司,专注于钙钛矿发光量子点材料及其先进显示应用,自主设计开发放大生产工艺,建立了全球首条全固态钙钛矿量子点产线,可实现单批次公斤级规模生产;钙钛矿量子点发光母粒和扩散板经230℃高温熔融挤出成型后,发光依然保持稳定。成果被浙江省科技厅评为省重大科技成果。如今,第一代钙钛矿量子点扩散板产品可将普通液晶显示NTSC色域从70%提升到95%,正在开发的第二代产品可将色域进一步提升到130%以上。除了液晶电视外,钙钛矿量子点可望应用于车载显示、手机、可穿戴设备显示等场景,未来甚至可应用于量子点LED主动发光显示,是一项前景广阔的颠覆性技术。


锤炼优秀产品 添彩中国智造


  “惟精惟一”,这是何海平十分喜欢的一句话。科学研究道阻且长,唯有用功精深、用心专一,才能有所收获。

  对于钙钛矿产业化应用,何海平感触最深的一点就是,对成本、生产过程和市场需求的考虑更多了。“从前在实验室,解决的通常是单个问题。但是要市场应用,却必须考虑多种性能的综合和平衡,形成相对成熟的产品。而有时为了实现这种平衡,必须舍弃一些在实验室中经反复研究才找到的优秀方案。比如,在我们提升量子点稳定性的方案中,有一个方案的稳定性其实是最好的。但偏偏这个方案的工艺过程不符合量产条件,只能被迫放弃。”那种忍痛割爱的心情,何海平至今难忘。这件事也时刻提醒着他,做科研与做产品的不同。“在实验室里,可以天马行空地探索,而当有了一个产业化的目标,就必须收起那份不羁,跟随市场需求,锤炼优秀产品,坚定不移地走下去。”

  2004年以来,何海平在叶志镇院士的团队中从事科研已经十九载。对何海平来说,叶志镇院士既是德高望重的前辈,也是言传身教的贵人。“叶老师常挂在嘴边的一句话,就是‘只为成功找方法,不为失败找理由’。很多时候即便吃饭、走路或闲暇时,他都在思考问题,乐此不疲;他看问题既深入长远,又关注细节,总能发现别人发现不了的问题。”叶志镇院士的这些表现都在潜移默化地影响着团队里的氛围,何海平更是深受熏陶。

  目前,叶志镇院士领衔的团队中人才济济,研究互补,合作紧密。“其中,我和戴兴良研究员组成了一个课题小组,他是浙江大学‘百人计划’研究员,同时也负责公司的研发,是一位十分优秀的青年才俊。此外,我们课题组与化学系的金一政教授保持着长期合作。金教授是量子点与钙钛矿发光显示领域的著名专家。”依托浙江大学一流的平台和资源,团队充分联动产学研,在研究生培养上,也采用前瞻课题与实际应用相结合的方式,加深学生“把论文写在祖国大地上”的意识。未来,何海平希望与各界同仁一道努力,研发出更多性能优异、适应多个应用场景且兼顾未来发展趋势的钙钛矿发光材料和产品,添彩“视”界、添彩中国智造。
分享到:
杂志
本期封面

2024年4月

上一期 下一期