以科技創新助力新材料產業鏈“上下溝通”
——記上海交通大學電子信息與電氣工程學院副教授羅騁韜

王 輝

當你扭動開關打開煤氣灶，當你用火機點燃一支香煙，當你乘坐高鐵列車前往下一個城市……每當你享受這些習以為常的便利時，就有一塊、甚至很多塊壓電材料在背后默默發揮著作用。

所謂壓電材料，簡單來講就是受力發生形變時會產生電荷，受到電場激勵時則產生機械形變的晶體材料。這兩種變化中，前者被稱為正壓電效應，后者被稱為逆壓電效應。獨特的壓電效應使鐵電材料擁有了“橋梁”的作用——通過它，人們得以實現力、電、熱、光、聲信號之間的轉換，從而制作出傳感器、換能器、致動器、自供電設備等。

自1880年皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發現壓電效應以來，各種壓電材料層出不窮。目前，鈣鈦礦結構的鐵電晶體是壓電性能上的佼佼者，其相關研究至今仍熱度不減。在科學儀器與工程領域深耕多年，上海交通大學電子信息與電氣工程學院副教授羅騁韜對如何大幅提高現有鐵電材料的壓電響應、發展新一代高性能壓電器件，進行了深入系統的研究。就像他所專注研究的材料那樣，這個青年學者也致力于發揮“橋梁”作用——從技術層面助力材料上游制備與下游產業應用相連接，推動新的科研成果用更短的時間走進千家萬戶。

一次偶然的契機

羅騁韜與科研的不解之緣始于一個夏天，彼時是2009年，“未來應該選擇怎樣的道路”對當時還是復旦大學大二年級學生的他來說仍是一個未知。

當年7月，臨近暑假的日子里，即便是晚風也仍舊帶著烈日的余溫。就是在這樣一個時節，羅騁韜乘上了飛往美國弗吉尼亞州黑堡市的航班，準備參加弗吉尼亞理工大學的暑期交流學習活動。與大都市上海不同，弗吉尼亞理工大學所在的黑堡是一個不折不扣的學園小鎮。談及初次遠離了國內城市喧囂的異國之旅，羅騁韜的記憶中與科研有關的印象反而更加深刻。

在弗吉尼亞理工大學，他看到了尖端的設備和新奇的成果，更看到了一個課本難以展示的精彩世界的冰山一角。由此，他對科研事業產生了前所未有的強烈向往。在當時學習所在的課題組，他與團隊導師相談甚歡，并為其遠見卓識深深折服。在數次對話中，羅騁韜初步明確了未來人生道路的方向。他說：“這次旅程，是我科研生涯的起點。”

羅騁韜對具體研究方向的選擇，緣于對國內材料領域的發展狀況的深入了解——先進基礎材料多個領域產量世界第一，但品質不高、產能過剩；關鍵戰略材料產業鏈上下游脫節、成套技術不完備，部分產品對外依存度高且受海外嚴格管制；前沿新材料擅長跟蹤模仿，原始創新不足，轉化率較低。以上幾大問題橫亙在新材料發展之路上，亟待解決。其中，羅騁韜尤其在意產業鏈上下游脫節的問題。因為這意味著很多花費巨大成本產出的科研成果“打了水漂”，是比“不會做”和“做不出來”更讓人嘆息和著急的事情。

單從技術層面來講，造成上下游產業鏈脫節的原因主要在于，新材料產品從技術到商品需要跨越兩個“死亡谷”。其一，是從技術端到產品端，即實驗室研發的技術能否進行批量化生產，生產出來的產品是否穩定；其二，是指從產品端到商品端，產品是否具有足夠的性價比，能否滿足客戶的不同需求。以第三代半導體材料碳化硅為例，因其性能優異，從理論上能夠開發出更適應高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣條件的小型化功率半導體器件。但經過了數十年的研究發展，碳化硅功率器件領域至今仍然存在材料缺陷問題未完全解決、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應用需求等共性問題，嚴重阻礙了碳化硅走向大規模產業化應用的步伐。

要想成功跨越兩個“死亡谷”，打通材料產業鏈上下游之間的壁壘，分析材料性能、探索材料投產應用方法的中游工作必不可少。這是一個常常被忽略的環節，也是一個大有可為的環節。深思熟慮過后，羅騁決心投身其中，以科技創新助力我國新材料產業鏈“上下溝通”。

一鳴驚人的成果

2011年，羅騁韜以優異的成績畢業于復旦大學材料物理系，隨即獲得美國弗吉尼亞理工大學全額獎學金，師從美國陶瓷學會電子部主席、國際著名鐵電物理學家德懷特·維蘭德（Dwight Viehland）教授——這正是羅騁韜大二參加交暑期流學習時所在課題組的導師。其間，羅騁韜還憑借自身優異的成績獲得了美國橡樹嶺國家實驗室聯合培養項目支持，在美國橡樹嶺國家實驗室和美國阿貢國家實驗室進行了近2年的研究工作。這段豐富經歷使他在“如何由機理出發，發展高性能、綠色無鉛化鐵電材料”及“如何大幅提高現有鐵電材料的壓電響應、發展新一代高性能壓電器件”等問題上有了新的發現。

羅騁韜（中）指導學生

為了驗證落實自身的發現與設想，也為了實現最初的“產業化”夢想，博士畢業后，羅騁韜對研究重心進行調整，以博士后身份前往美國北卡羅來納州立大學機械系從事鐵電材料及器件的研制工作——這是他從新材料研究的中游探索轉向下游研發的重要節點。

2017年，羅騁韜帶領美國北卡羅來納州立大學的研究小組，針對一種新型疇工程技術——交流極化，展開了其可靠性、可重復性和性能增強機理的研究工作，獲得了大量第一手數據及對這一技術的深入理解：在交流極化技術機理研究方面，他們首次觀察到了交流極化樣品的精細鐵電疇結構，首次提出“交流極化的機理討論應從本征的鐵電相結構特征與非本征的鐵電疇結構特征分別出發”，初步建立了交流極化的靜態結構-性能構效關系模型，提出交流極化對壓電性能的提升源自于疇結構的重構與場致相變。不僅如此，羅騁韜還研究了不同壓電振子形狀下的交流極化特性，以及交流極化頻率對交流極化的性能影響，由此發現交流極化對大尺寸單晶性能增強最為明顯。而通過對電滯回線及其包含的鐵電性能在交流極化過程中持續追蹤，羅騁韜等人提出了交流極化中壓電振子存在與其尺寸相關的本征頻率，直接影響壓電振子在交流極化后的矯頑場等鐵電性能；針對交流極化與摻雜法的兼容性，以及交流極化飽和過程中的動態過程，證明了交流極化優異的應用潛力……基于這一系列研究，他們在完全沒有改變材料組分的情況下，利用交流極化技術在鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）單晶壓電性能上達到驚人的最高200%的躍升。這意味著對應壓電器件的機電能量轉換能力將大大提升，大幅提高所在應用對應的靈敏度或者輸出功率；更意味著疇工程方法的高效率低成本優勢打破了傳統弛豫鐵電單晶材料研發的一般規律。

要知道，傳統弛豫鐵電單晶材研究基本采用的是“摻雜法”，即從最上游的材料生長開始，通過更改“配料”來達到單晶改性等目的。每當需要不同的研究樣本，就必須重走整個制備流程，不僅技術難度大，而且周期長、成本高。而羅騁韜提出的“通過交流極化技術改性”則具有可逆性——通過不同的極化方式調整材料性能得到不同數據后，還可以通過升溫使材料“退極化”恢復到最原始的狀態，從而達成單晶材料的循環利用。羅騁韜將這兩種過程形象地比作電子產品“使用中”和“恢復出廠設置”，并指出：“誠然，交流極化技術與傳統的摻雜法相比，也有其缺陷。比如退極化的過程中，總是難以避免材料中的某些屬性下降，但經過進一步的研究，我們發現這種下降能夠被精準控制，這就可以將原本的劣勢轉化為優勢。與此同時，交流極化法和摻雜法能夠互相兼容，如果同時使用兩種手段，還能夠實現互補，最大限度地彌補材料調控過程中的損失。”

這一系列原創成果，引起了國內外同行的強烈興趣和密切關注。在2018年、2019年連續兩屆聲傳導材料和裝置國際研討會、2020年磁電多鐵性和鈣鈦礦材料國際研討會等國際會議中，羅騁韜都被邀請作了關于交流極化方面的研究報告，并得到了“為弛豫鐵電單晶材料及新一代高性能超聲換能器的發展帶來了新的機遇”的高度評價。

一種必然的選擇

正當羅騁韜在國際前沿領域大放異彩，各方橄欖枝紛至沓來時，他卻毅然回到國內。對他來說，這是一種無須多慮的必然選擇。

事實上，從決定走上科研道路之初，羅騁韜就一直更傾向于留在國內。但苦于當時的中國在新材料產業領域的發展相對滯后，一些研究所需的尖端儀器設備資源也十分有限，羅騁韜只得遠赴海外求學，以期學成之后再做打算。可喜的是，這是一場國家和人才的“雙向奔赴”。

在羅騁韜默默積累、奮力攀登的日子里，我國也相繼出臺各項政策大力支持新材料產業的發展。如2016年印發的《新材料產業發展指南》提出加快推動先進基礎材料工業轉型升級，大力推進材料生產過程中的智能化和綠色化改造，重點突破材料性能及成分控制、生產加工及應用等工藝技術；2017年印發的《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》提出重點發展基礎材料技術提升與產業升級、戰略性先進電子材料、材料基因工程關鍵技術與支撐平臺、納米材料與器件、先進結構與復合材料、新型功能與智能材料、材料人才隊伍建設；2018年印發的《關于印發國家新材料產業資源共享平臺建設方案的通知》提出圍繞先進基礎材料、關鍵戰略材料和前沿新材料等重點領域和新材料產業鏈各關鍵環節，基本形成多方共建、公益為主、高效集成的新材料產業資源共享服務生態體系……在相關政策支持下，我國新材料產業發展步伐持續加快、創新能力穩步增強、應用水平明顯提升。這些現象，讓始終關注國內發展的羅騁韜看到了中國產業轉型升級的希望，也更加堅定了他回國發展的堅定決心。

2020年，羅騁韜加入上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器科學與工程系，再次調整自身研究工作的重心——在開展疇工程技術提高單晶材料性能的同時，他還和研究團隊成員一起研究大幅度提高水聲換能器的靈敏度、頻率帶寬、電聲效率、能量密度、降低其體積重量的應用實踐。作為項目負責人，他獲得上海市2021年度“科技創新行動計劃”揚帆計劃項目支持；作為主要研發人員，他參與2021年國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”專項其中的子課題二等其他國家及企業科研合作項目。其中，在“基于聲波新原理激勵小型化天線技術”“多種壓電換能器的應用與設計”等方面，已有多個階段性成果產出。“背靠交大這個平臺，我開始更多地參與到應用方面的研究工作中。”羅騁韜說，由于在博士后階段，他就因導師的緣故，接觸了不少面向下游醫療設備生產的應用型研究，“這些經驗讓我更明白下游需要什么樣的材料，更關注哪些方面的指標；也讓我更明確中游的材料優化、材料處理應該朝著哪個方向走才能更貼合下游需求，并幫助上游的新材料得到應用”。

初心易得，始終難守。在真正走上應用化道路，嘗試打通新材料產業鏈上下游壁壘的過程中，羅騁韜必將迎來更多、更難、更意想不到的挑戰。但他堅信，山再高，往上攀，總能登頂；路再長，走下去，定能到達。