名師訪談｜看曾海波教授在發光材料與發光器件上有著怎樣的思考與收獲？

曾海波，新型顯示材料與器件工信部重點實驗室主任，南京理工大學納米光電材料研究所所長、教授、博士生導師，國際信息顯示學會北京分會發光顯示技術委員會委員，中國材料研究學會納米材料與器件分會理事，Nanotechnology、Current Applied Physics、Materials Research Letters、Science Bulletine等期刊編委。2012年獲批首屆國家優秀青年基金，2013年創建南理工光電所并共同獲得安徽省科學技術獎一等獎，2014年獲得霍英東教育基金會優秀青年教師獎，2015年入選“國家萬人計劃”青年拔尖人才，2016年創建新型顯示材料與器件工信部重點實驗室并入選“長江學者獎勵計劃”青年學者，2017年入選“國家創新人才推進計劃”中青年科技創新領軍人才。

2003年以來從事新型顯示發光與發光器件研究，近期聚焦于本課題組與國際同行共同發起的兩個新方向：銻烯等二維晶體的原子設計與原子制造、全無機鈣鈦礦低維半導體光電子學。已發表SCI論文180余篇，引用7000余次，ESI高被引論文20余篇，H因子45。2013年創建南理工光電所以來，發表通訊作者論文100余篇，其中發表在Nature Comm.、Advanced Materials、Nano Letters、Angew. Chem.等影響因子10以上期刊35篇，8篇入選ESI高被引論文，3篇入選ESI熱點論文，獲得Nature等刊物與學術媒體亮點評論20余次。

在長期的科研過程中，曾海波教授與他的團隊在照明、顯示與傳感新材料及器件方向上可謂收獲頗豐。近日，材料人網有幸為廣大讀者采訪到曾海波教授，近距離了解他與他的團隊在科研與行業中的經歷、收獲與感悟。

材料人：您是學理論出身的，當初是如何想到做照明、顯示與傳感新材料及器件這個方向的呢？

曾海波教授：這是我對相關領域發展歷史與趨勢、社會與國家需求、個人興趣與能力三方面不斷思考不斷調整的結果。

本科的時候，我對物理比較感興趣，喜歡在圖書館看關于愛因斯坦和霍金的書，包括各個版本的傳記和較淺的研究類讀物，對其中嚴密的思維邏輯和物質世界本源的探索精神深深著迷。

沿著自己的感覺，碩士做的是量子引力課題，拿的是應用數學學位，具體而言就是用拓撲幾何學等數學方法對“相對論的量子化”這一問題進行模型研究，慢慢地遇到了一個困惑：基本上沒有實驗檢驗的可能性，也難以觸及當今人類的物質生活。這時，有幸讀了我國半導體先驅黃昆先生的傳記《黃昆(聲子物理第一人)》，除了認識到半導體是當前社會信息化的最重要材料載體，另有一句話對我觸動很大“作為一個科技工作者，并不是說知識學得越多越好，學得越深越好，關鍵還是在于你駕馭知識的本事”，這讓我慢慢地定下了從事納米半導體學習和研究的決心。

隨后，在中科院固體物理研究所蔡偉平研究員、張立德研究員、孟國文研究員等老師們的指導下，受到了從事納米材料研究所需的科研素養的規范訓練，走上了納米半導體發光研究的道路。在日本國家材料研究所工作器件，盡管課題組沒有發光研究的條件，我仍然選擇了相關聯的原子級超薄半導體制備與電學性質的研究課題。

2011年底我從日本回國，這是個關鍵點，選擇“發光顯示低維半導體及器件”為整個團隊的研究方向主要是基于以下考慮。

一方面，正如上面所言，發光研究正是我的興趣所在，只是具體的研究導向和研究內容需要謹慎地從頭規劃。另一方面，最重要的是意識到當前正處在顯示產業革命的關鍵時期，意識到這一領域存在社會與國家的重大需求，意識到這或許是我也是我們團隊的絕佳發展機會。上一輪從“電子管顯示”到“液晶顯示”的行業革命中國錯失了機會，這一輪正在進行的從“液晶顯示”到“柔性高清顯示”的行業革命中國已經不再是旁觀者，因為我國在經濟、產業、人才等方面已經有了雄厚的基礎，至于能否領跑則取決于產學研各界同仁的創新創業成效。

身處這個顯示行業變革的偉大時代，是我及我們團隊的幸運，確立“新型顯示發光材料與發光器件”研究主題是極其自然的選擇。此外，從黃先生“駕馭知識”的論斷出發，鑒于我個人在物理與材料、理論與實驗方面的交叉背景，就為我們團隊確立了“理論與實驗相結合”、“材料-光電性能-發光器件”的研究范式。

所幸的是，五年多走下來，以上初衷在團隊組建、平臺搭建、具體課題研究等方面得到了初步的實現，2013年創建了南京理工大學納米光電材料研究所，2016年獲批為新型顯示材料與器件工業和信息化部重點實驗室。

材料人：請您簡單介紹一下您課題組目前的科研工作和發展情況？

曾海波教授：在確定了“面向柔性高清顯示的新型發光材料與發光器件”研究主題后，我們選擇了兩條研究思路。

一方面，基于“至薄至柔”的思想，希望從理論上設計出并在實驗上制備出原子級超薄二維發光體，2014年發起了銻烯二維晶體，隨后不斷有國際同行加入，但目前整體上仍然處于非常基礎的探索階段，基本上是屬于“仰望星空”的基礎研究，這就產生了我們團隊目前的“銻烯等二維晶體的原子設計與原子制造”研究方向。

另一方面，在業內已有的量子點“印刷致柔”思想基礎上，針對量子點發光顯示的“無鎘化”和“更高清”關鍵需求，力圖發展具有更高發光品質的量子點新體系及其發光器件，2015年率先發了全無機鈣鈦礦LED發光器件后，由于新型顯示應用的重要性已經成為了前沿研究熱點，吸引了大量的研究人員，但是在將來真正走向顯示產業應用前仍需解決若干關鍵問題，這樣就產生了我們“全無機鈣鈦礦半導體光電子學”這個比較腳踏實地的應用基礎研究方向。

2013年創建南理工光電所以來，實驗室已初步組建了聚焦光電材料且理論實驗結合的團隊、完備且特色鮮明的計算模擬-材料制備-器件加工-光電測試的專業研究平臺，已在Nature Comm.、Advanced Materials、Nano Letters、Angew. Chem.等IF>10期刊發表論文35篇，主要研究進展有以下兩方面。

一、銻烯等二維晶體的原子設計與原子制造：

2014年(投稿時間)，在國際上率先理論提出了銻烯、砷烯等第五族二維晶體的原子結構模型，并預測了該體系的電子結構轉變與熱力學高穩定性等關鍵特征，發表在Angew. Chem. In. Ed. 2015, 54, 3112上，被Nature亮點報道為“新型二維光電材料”，至今已被引用158次，成為了ESI熱點論文；

2016年，在國際上首先實現了超薄銻烯的范德瓦爾斯外延生長，從實驗上檢驗了理論所預測的穩定?相結構與環境氛圍高穩定性，發表在Nature Communications 2016, 7, 13352上。

值得注意的是，基本上與此同期，中科員物理所高鴻鈞院士與王業亮課題組、西班牙馬德里自治大學Félix Zamora教授課題組等也制備了超薄甚至單層銻烯，并檢驗了高穩定性。

左圖：銻烯理論模型；右圖：實驗所得銻烯

二、全無機鈣鈦礦半導體光電子學：

2015年，在國際上率先基于溶液工藝構建了全無機鈣鈦礦紅綠藍LED發光器件，觀察到半高寬窄至25 nm的超純三基色電致發光、130%NTSC廣色域顯示優勢，指明了這一半導體新體系的柔性高清顯示應用前景，發表在Advanced Materials 2015, 27, 7162上，被Nature Nanotech.評論為“首次(first)”、“開啟了(opened)該體系LED”，至今已被引用135次，成為ESI熱點論文，入選了“2015年工程技術領域中國作者發表的高被引研究論文Top 10”。

2016年，發展了全無機鈣鈦礦量子點表面配體調控的“混合溶劑提純法”，實現了發光墨水高穩定性、發光膜高均勻性、高光致發光效率、有效電荷注入等四個要素的共存，從而將該體系綠光LED的效率提高了50倍，創造了這一新半導體體系LED發光效率的最高記錄，發表在Advanced Materials 2016, DOI: 10.1002/adma.201603885。

全無機鈣鈦礦發光量子點、發光薄膜、LED發光器件

三、2016年其他主要工作進展：

剛剛過去的2016年是我們“新型顯示材料團隊”成長較快的一年，除了以上兩個發表在Nature Communications、Advanced Materials上的兩個工作，我們團隊圍繞“二維銻烯原子設計與原子制造”、“全無機鈣鈦礦光電子學”還取得了一些其他進展，簡要介紹10個工作如下：

1.合成了單層厚度的全無機鈣鈦礦納米片，采用印刷工藝制備了大面積高質量光電薄膜，相應柔性光探測器的開關比達到10^4，光響應上升和下降時間分別為19 μs和25 μs，經過10000次彎折后光電流波動小于3%，充分展現了其二維結構和高穩定墨水等特點在未來二維鈣鈦礦柔性光電器件中的優勢，發表在Advanced Materials 2016, 28, 4861-4869。

2.發展了高效高純發光全無機鈣鈦礦量子點的室溫析晶合成方法，打破了傳統量子點合成方法需要加熱、惰性氣體、復雜注入等條件的限制；提出該體系發光優越的起源為高激子結合能、鹵素表面自鈍化、類量子阱能帶結構三者協同效應；構建了相應的背光LED發光器件，證實了其廣色域顯示與健康照明應用前景。發表在Advanced Functional Materials 2016, 26, 2435-2445。

3.發現了全無機鈣鈦礦晶體顆粒的“可逆表面溶解與再結晶”行為，并將其發展成為有效抑制薄膜孔洞與界面缺陷的室溫修復方法，經修復后的光探測器響應度與靈敏度均獲得了7倍以上的提高，該方法對全無機鈣鈦礦各種光電子器件中薄膜質量提高這一關鍵環節有一定意義。發表在Advanced Functional Materials 2016, 26 (32), 5903-5912。

4.與南洋理工大學王躍博士、孫漢東教授等合作，發現了全無機鈣鈦礦在激光照射下由二維原子片層到三維體相的可控結構轉變行為，以及相應發光演變過程的強量子效應。發表在Advanced Materials 2016, 28, 10637–10643。

5.發現全無機鈣鈦礦量子點的雙光子吸收截面高達10^5 GM，因此可以用紅外光源低閾值上轉換地激發出波長可調的可見區激光。發表在Nano Letters 2016, 16 (1), 448。

6.通過計算模擬與理論分析系統研究了砷烯與銻烯等第五主族二維材料的電子結構與光電特征，預測了它們從紅外到可見波段的寬光譜光學帶隙，及α相砷烯與石墨烯相當的超高遷移率。發表在Angew. Chem. In. Ed. 2016, 55, 1666。

7.與南理工闞二軍教授等合作，通過計算模擬與理論分析發現二維黑磷納米帶在外電場作用下具有面內鐵電性，其極化強度能夠與傳統鈣鈦礦鐵電材料相當。發表在Nano Letters, 2016, 16(12), 8015-8020。

8.通過計算模擬與理論分析提出α相單層磷化砷是潛在的高效激子型太陽能電池施主材料，具有覆蓋太陽光譜的直接帶隙，電子遷移率高達14,380 cm2V-1s-1，α-AsP/GaN的最大功率轉換效率可達到22.1%。發表在Nano Energy 2016, 28, 433-439。

9.通過模擬與實驗發現二維半金屬硫化鈦具有較強的局域等離子體共振吸收的本征特性，不需要進行結構調控與復雜摻雜即可位于應用所需的紅外窗口波段，能夠誘導50℃的光熱升溫，能夠數倍提升通訊波段光探測器的響應度。發表在Advanced Functional Materials 2016, 26, 1793-1802。

10.通過表面化學修飾電荷注入實現了二維黑磷的區域選擇性P型摻雜，構筑了響應度達到180mA/W的PN結型二維光探測器。發表在Nano Energy 2016, 25, 34-41。

材料人：您覺得您現在的研究成果在推向市場過程中有什么困難嗎？如果有您覺的應該如何克服？

曾海波教授：我覺得在成果轉化機制和個人專長方面存在限制，不利于現有研究成果向市場的推廣。

比如我們在高效發光鈣鈦礦量子點方面取得了一些先機，尤其是低成本室溫合成工藝等方面是非常符合當前量子點顯示市場需要的，先后有不少公司前來洽談成果轉化合作，有的還在進行中，更多的是不了了之了。一方面，有的公司一上來就提出了一個非常宏大的規劃，但是本身并沒有太多的研發實力，我個人覺得財力基礎僅僅是轉化成功的一個條件而不是全部。另一方面，也有時候會在股權結構的投資方、學校、個人方面陷入僵局。此外，這個領域仍然處于快速爆發的初期，往將來真正應用走的很多方案與專利仍未定性，可能也是一個因素。最后，我個人與團隊在這方面并沒有基礎，能力有限，估計是主要原因。但是，我相信量子點發光材料與發光器件的新型顯示產業化最終肯定會在中國大地上開花結果，是不是我們來做并不重要。

材料人：您覺得您未來發展的側重點會放在哪個或哪些方向上？

曾海波教授：未來我們將聚焦到全無機鈣鈦礦發光器件的關鍵品質提升上，尤其是電致發光效率與亮度、與顯示器清晰度相關的電致發光單色性、器件的印刷化與穩定性、該體系材料的無鉛化等等。此外，我們也將著力研究銻烯和全無機鈣鈦礦兩類材料的基本物理及光電子學內涵，包括他們的表面修飾及摻雜、載流子與激子的二維特性等等。這兩個領域，在最近兩三年經歷了跑馬圈地式的“發現”，現在已經到了需要精耕細作的攻堅階段，才有利于將來真正應用于新型顯示產業。

材料人：您的科研經歷非常豐富，看到您曾在固體所、德國卡爾斯魯厄大學、日本國家材料科學研究所工作過，您覺得給您留下印象最深的是哪個地方？

曾海波教授：印象最深的永遠是“科學島”。

那是一個最美的地方，合肥市鬧中取靜的湖心島，滿島綠樹繁花，鑲嵌其間的是若干個研究所和我國大科學工程，曲徑通幽處更是我的研究事業開端的地方——中科院固體物理所，在那里我的老師們數十年如一日嚴謹扎實地做著研究，正如這低調而內秀的科學島。

材料人：在科研學術方面，您對團隊、學生和青年教師有什么要求和期望？

曾海波教授：希望我們團隊成員對科學既有夢想，又有實干精神，還有開眼看世界的視野，這樣他們才走得遠，我們團隊才能繁榮。

材料人：您在材料人多次投稿，您覺得材料人這個平臺可以在那些方面做的更好？

曾海波教授：短短幾年，材料人已經聲名鵲起，為材料領域的科研及產業工作者提供了一個非常專業的務實的信息交流平臺。未來，如能在若干關鍵材料主題上將信息進行歸類，并集中發布，將能產生更大的影響。

材料牛編輯曉fire編輯整理。