趙保丹：破解鈣鈦礦中隱藏的能效密碼

孫滔

2019年12月14日，《麻省理工科技評論》公布了2019年“35歲以下科技創(chuàng)新35人”（Innovators Under 35China）中國區(qū)榜單。在本屆榜單上，雖然缺失了“創(chuàng)業(yè)家”的身影，但是我們看到了許多在具有產(chǎn)業(yè)化潛能的領(lǐng)域堅持科研使命的獲獎人，也看到更多散布在海外頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們，用自身不改初心的堅持努力，取得了世界級標(biāo)竿成就的科研成果，其中有超過半數(shù)以上的獲獎?wù)撸既〉昧耸澜缂壍耐黄菩匝芯砍晒c發(fā)現(xiàn)。我們將陸續(xù)發(fā)出對35位獲獎?wù)叩莫毤覍ＴL，介紹他們的科技創(chuàng)新成果與經(jīng)驗，以及他們對科技趨勢的理解與判斷。

趙保丹是2019年“35歲以下科技創(chuàng)新35人”（Innovators Under 35 China）中國區(qū)榜單最年輕的入選者之一。29歲的她目前任浙江大學(xué)光電學(xué)院百人計劃研究員、劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室訪問研究員。

早在1839年，德國礦物學(xué)家Gustav Rose就發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦材料，之后以俄羅斯礦物學(xué)家Lev Perovski的名字命名。因為首先被發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦材料是鈣與鈦的復(fù)合氧化物（CaTi03），所以中文稱其為鈣鈦礦。如今，鈣鈦礦已不再特指鈣鈦復(fù)合氧化物，而用來泛指一系列與上述礦物晶體結(jié)構(gòu)相似的材料（化學(xué)式通常為ABX3）。

這類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料有著獨特的晶體及電子結(jié)構(gòu)，近年來引起了太陽能電池、發(fā)光二極管、催化與電催化等領(lǐng)域的極大重視。如果按照材料組分分類，主要包括4大研究方向：高溫超導(dǎo)體銅氧化物、鈣鈦礦氧離子導(dǎo)體、有機(jī)無機(jī)復(fù)合鈣鈦礦和純無機(jī)鈣鈦礦;而在后兩類材料中，如果其成分包含鹵族元素的話，也叫做“鹵素鈣鈦礦”——作為一種新興半導(dǎo)體材料，它在光電子等多個領(lǐng)域已顯現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，但其工作時的“量子轉(zhuǎn)化效率”始終是制約發(fā)展的關(guān)鍵。

?趙保丹憑借其在有機(jī)/鈣鈦礦LED領(lǐng)域取得的一系列成果，? 榮膺2019年《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”中國區(qū)得主。獲獎時年齡：28歲獲獎時職位：浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院研究員;劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室訪問研究員獲獎理由：她以制備簡單、成本低廉的新方法突破了鈣鈦礦LED效率的世界紀(jì)錄;另外，她還利用錫代替鉛的手段降低了鈣鈦礦太陽能電池的毒性。

2018年之前的4年時間里，鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率實現(xiàn)了從低于1%到大約12%的大幅度提升。然而，12%的效率仍遠(yuǎn)低于有機(jī)發(fā)光二極管和量子點發(fā)光二極管。當(dāng)時還在劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室讀博的趙保丹在研究鈣鈦礦發(fā)光器件時，發(fā)現(xiàn)了影響鈣鈦礦發(fā)光二極管效率的重要機(jī)制——鈣鈦礦材料本體和器件界面上的非輻射損失。

隨后她從發(fā)光機(jī)理入手，在鈣鈦礦材料中引入聚合物，通過聚合物與鈣鈦礦形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，降低了鈣鈦礦材料內(nèi)部與界面上的非輻射能量損耗。該研究首次實現(xiàn)了近100%的內(nèi)量子效率的電致發(fā)光，報道了大于20%的外量子效率，創(chuàng)造了鈣鈦礦發(fā)光二極管的效率紀(jì)錄。有關(guān)論文在2018年發(fā)表于《自然·光子學(xué)》雜志，并被選為封面文章。

趙保丹在頒獎典禮上做演講

此外，鈣鈦礦材料含有毒性，是其大規(guī)模應(yīng)用所面臨的主要問題之一。趙保丹利用錫替代鉛的方式，降低了鈣鈦礦的毒性，也是首批去探索高效錫鉛混合鈣鈦礦光電子器件的研究者。其研究為推動鈣鈦礦器件的規(guī)模化應(yīng)用起到了很大的作用。

至于為何走上科研之路，趙保丹認(rèn)為和自己的性格有關(guān)，抑或是“冥冥之中自有天意”。1991年，她出生在江蘇徐州的一個小縣城——沛縣，從小學(xué)習(xí)成績就非常好，是同學(xué)眼中的學(xué)霸，家長口中的“鄰居家小孩兒”，不過她內(nèi)在卻是一個缺乏自信的人。

在趙保丹心中，總認(rèn)為更大的城市、更大的平臺上會有更多“真正的學(xué)霸”，而她自己只是一個“局部地區(qū)的學(xué)霸”。這也和父母“要虛心、不要驕傲”的家庭教育有關(guān)。因為自信心不足，她曾在學(xué)習(xí)生活中遇到了一些困擾;但這反而推動了她尋求挑戰(zhàn)的勁頭。在南京大學(xué)物理學(xué)院的大三生活即將結(jié)束時，她的綜合成績足以通過保研，進(jìn)入國內(nèi)任何一所高校，但她覺得有些“無趣”，便臨時決定申請去讀國外研究生。

這對于她來說是一個很大的挑戰(zhàn)，因為既要放棄唾手可得的保研資格，還要在考出合格英語成績的同時等待國外院校的篩選錄取;好在父母當(dāng)時十分尊重她的選擇，給了她極大的自由。經(jīng)過不到半年的準(zhǔn)備，趙保丹的英語考試成績順利“低分飄過”，而且向英國和美國10余所大學(xué)的博士申請也得到了回復(fù)。最終，她選擇到英國劍橋大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位。

正是這個挑戰(zhàn)自我的選擇，讓趙保丹有機(jī)會前往世界最好的OLED研究機(jī)構(gòu)之一——劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室。這里誕生過29個諾貝爾獎，對于所有研究物理學(xué)的科學(xué)家來說，都堪稱“殿堂”一般的地方。她師從英國皇家學(xué)會院士（FRS）、皇家工程院院士（FREng）、卡文迪許物理學(xué)講席教授理查德，弗蘭德爵士（Sir RichardH. Friend），開始了關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池與發(fā)光二極管的研究。

趙保丹認(rèn)為，從小養(yǎng)成的這種冒險精神給她打開了科研的大門，也始終伴隨著她的科研之路。她非常享受在研究中探索未知領(lǐng)域的快樂，以及每次從失敗實驗中總結(jié)，最后獲得啟發(fā)時的滿足感。

對于鈣鈦礦來說，其作為發(fā)光器件尚屬一個新興研究領(lǐng)域。而一個成功的產(chǎn)業(yè)背后往往需要幾十年的科學(xué)研究支持，以及技術(shù)成果的落地轉(zhuǎn)化。“科研工作者的付出，就是整個過程的基石。”趙保丹說，“所以創(chuàng)新就是科研工作的靈魂。我很幸運生活在一個科技高速發(fā)展的時代，隨著越來越多科研人員的加入，鈣鈦礦材料有望在不久的將來實現(xiàn)大規(guī)模、低能耗的柔性顯示。此外，其在照明、通信、可再生能源等重要領(lǐng)域也有著很大的應(yīng)用潛力。”

目前，趙保丹已結(jié)束了自己在劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室副研究員的工作，回到了國內(nèi)，并在浙江大學(xué)光電學(xué)院繼續(xù)自己的科研之路。對于自己的下一個目標(biāo)，趙保丹表示，她將深入研究器件運作時性能退化的機(jī)理，努力嘗試去克服鈣鈦礦發(fā)光器件穩(wěn)定性這一大難題。因為，即便鈣鈦礦發(fā)光器件有發(fā)光效率高、制作成本低、發(fā)光純度高等優(yōu)勢，但其穩(wěn)定性不足是阻礙鈣鈦礦發(fā)光器件成為高性能、低能耗、低成本的新一代光源和柔性光電器件的關(guān)鍵因素之一。（摘自美《深科技》）（編輯/萊西）