惟精惟一 添彩“視”界
——記浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授何海平

王 芳 王 輝

何海平

鈣鈦礦，最初指一種由鈦酸鈣組成的天然礦物，后來指滿足ABX3結(jié)構(gòu)（A和B是兩種陽離子，X是陰離子）的化合物家族。其中，鹵化物鈣鈦礦是一種新型半導(dǎo)體光電材料。2009年日本科學(xué)家制備出全球第一個鹵化物鈣鈦礦太陽能電池器件，讓鈣鈦礦獲得了極大關(guān)注。

2009年到2012年，鈣鈦礦展示了在光伏領(lǐng)域的可觀前景，相關(guān)研究如火如荼。而一直從事半導(dǎo)體發(fā)光材料研究、時為浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授的何海平，卻瞄準(zhǔn)了鈣鈦礦的另一種性能——發(fā)光。他解釋道：“鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體擁有絕佳的光電性能，可以將光轉(zhuǎn)換為電，也可以將電轉(zhuǎn)換為光，前者可以應(yīng)用到光伏領(lǐng)域，后者則可以應(yīng)用到發(fā)光顯示領(lǐng)域。”

2012年，何海平投身鈣鈦礦發(fā)光研究。至今十余年，他見證了鈣鈦礦從實(shí)驗(yàn)室走向建產(chǎn)線、出產(chǎn)品、展應(yīng)用的艱難而令人振奮的全過程。其間，他和團(tuán)隊在葉志鎮(zhèn)院士的帶領(lǐng)下，克服重重挑戰(zhàn)，首創(chuàng)全固態(tài)鈣鈦礦量子點(diǎn)及發(fā)光母粒制備技術(shù)，突破了鈣鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光穩(wěn)定性關(guān)鍵難題。2023年7月，鈣鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光材料和顯示用擴(kuò)散板產(chǎn)線建成。如今，凝結(jié)團(tuán)隊無數(shù)汗水和心血的學(xué)術(shù)成果正飛馳在產(chǎn)業(yè)落地的“最后一公里”上，何海平期待鈣鈦礦為顯示市場帶來新的活力和驚喜，為“視”界增添繽紛亮麗的色彩。

獨(dú)辟蹊徑 讓鈣鈦礦穩(wěn)定發(fā)光

在進(jìn)入鈣鈦礦領(lǐng)域之前，何海平已在半導(dǎo)體發(fā)光材料研究領(lǐng)域摸爬滾打13年，積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)。

2004年，何海平從中國科技大學(xué)獲得博士學(xué)位后，加入了浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（現(xiàn)硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）葉志鎮(zhèn)教授（2019年當(dāng)選中國科學(xué)院院士）課題組。葉志鎮(zhèn)教授自1988年就確立了浙江大學(xué)半導(dǎo)體薄膜研究方向，長期致力于寬禁帶半導(dǎo)體氧化鋅等無機(jī)光電薄膜材料及關(guān)鍵技術(shù)研究。“葉老師開辟了浙江大學(xué)的半導(dǎo)體薄膜研究方向，開創(chuàng)國內(nèi)半導(dǎo)體氧化鋅薄膜摻雜研究先河。而氧化鋅材料最受期待的應(yīng)用就是發(fā)光，這些都與我求學(xué)時的研究興趣和方向相契合。”在何海平眼中，葉志鎮(zhèn)教授身上有一種百折不撓、全力探究的科學(xué)精神。無論多么困難的課題，他總是堅定地推進(jìn)，樂觀地探索，不斷嘗試各種辦法。這種敬業(yè)精神深深感染著何海平。

2012年，在鈣鈦礦作為一種新型半導(dǎo)體光伏材料方興未艾的時候，葉志鎮(zhèn)院士領(lǐng)導(dǎo)組建了鈣鈦礦發(fā)光研究團(tuán)隊，何海平是其中的骨干成員。“相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，鈣鈦礦的制備采用溶液工藝，更為簡便。鈣鈦礦的原料也并不稀有。”于是，研究的難點(diǎn)集中在性能的提升。

顯示技術(shù)從20世紀(jì)中葉發(fā)展以來，已相繼出現(xiàn)了液晶顯示（LCD）、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）等技術(shù)，正走向量子點(diǎn)顯示時代。2023年諾貝爾化學(xué)獎頒給“發(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)”的3位科學(xué)家，更是引起各界對量子點(diǎn)顯示應(yīng)用的極大關(guān)注。量子點(diǎn)顯示的主要優(yōu)勢在于能夠發(fā)出高效、高純度紅綠藍(lán)光，極大提升顯示畫質(zhì)。但目前使用的量子點(diǎn)發(fā)光材料要大規(guī)模應(yīng)用，還存在至少3個挑戰(zhàn)：一是含有重金屬鎘，存在環(huán)保問題；二是核心技術(shù)和專利大多掌握在外國手中；三是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍存在穩(wěn)定性問題。與此相比，鈣鈦礦發(fā)光量子點(diǎn)不含鎘，由我國自主研發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。此外，鈣鈦礦量子點(diǎn)不僅顯示性能極高，色域可大于140%NTSC（美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)），成本也更低。

然而，常規(guī)液相法合成的鈣鈦礦量子點(diǎn)在顯示產(chǎn)品制造及應(yīng)用時，難以承受高溫、高濕、強(qiáng)藍(lán)光輻照等苛刻的條件。因此，必須開發(fā)鈣鈦礦量子點(diǎn)制備新技術(shù)和新工藝，以解燃眉之急。但鈣鈦礦在優(yōu)異的光電性能之外，卻有一個致命缺陷——低穩(wěn)定性。如何在保證發(fā)光效率的同時，提升鈣鈦礦量子點(diǎn)穩(wěn)定性呢？何海平和同事們開始一次次不懈地嘗試和探索。

最終，團(tuán)隊首創(chuàng)雙基質(zhì)包覆全固態(tài)量子點(diǎn)制備技術(shù)，一舉克服了鈣鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光的穩(wěn)定性難題。這一技術(shù)采用高溫制備，控制鈣鈦礦量子點(diǎn)的結(jié)晶過程，提升熱穩(wěn)定性；采用雙基質(zhì)包覆方式，提升鈣鈦礦量子點(diǎn)的水、光穩(wěn)定性。“這種雙包覆的方式，我們形象地稱之為‘石榴結(jié)構(gòu)’。量子點(diǎn)像一顆顆石榴子一樣，先被果肉包覆，后又被外層的石榴皮包覆，將影響其穩(wěn)定性的水、氧隔絕在外，并有效抑制因光照和加熱產(chǎn)生的缺陷。”團(tuán)隊歷經(jīng)多次迭代和優(yōu)化，他們不斷提升量子點(diǎn)綜合性能。在這過程中，也不斷加深了對鈣鈦礦材料及其發(fā)光的認(rèn)識，并將這些認(rèn)識擴(kuò)展到鈣鈦礦LED器件研究中，先后4次刷新了鈣鈦礦LED發(fā)光效率的世界紀(jì)錄。團(tuán)隊多篇論文在《自然光子學(xué)》（Nature Photonics）、《自然通訊》（Nature Communications）、《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）、《信息材料》（InfoMat）等期刊發(fā)表。

實(shí)驗(yàn)室的果實(shí)沉甸甸地掛在枝頭，接下來，需要做的就是精心加工，把它們送到市場上去。為推動鈣鈦礦量子點(diǎn)成果轉(zhuǎn)化，團(tuán)隊在浙江大學(xué)溫州研究院的孵化下，成立了溫州鋅芯鈦晶科技有限公司，專注于鈣鈦礦發(fā)光量子點(diǎn)材料及其先進(jìn)顯示應(yīng)用，自主設(shè)計開發(fā)放大生產(chǎn)工藝，建立了全球首條全固態(tài)鈣鈦礦量子點(diǎn)產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)單批次公斤級規(guī)模生產(chǎn)；鈣鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光母粒和擴(kuò)散板經(jīng)230℃高溫熔融擠出成型后，發(fā)光依然保持穩(wěn)定。成果被浙江省科技廳評為省重大科技成果。如今，第一代鈣鈦礦量子點(diǎn)擴(kuò)散板產(chǎn)品可將普通液晶顯示NTSC色域從70%提升到95%，正在開發(fā)的第二代產(chǎn)品可將色域進(jìn)一步提升到130%以上。除了液晶電視外，鈣鈦礦量子點(diǎn)可望應(yīng)用于車載顯示、手機(jī)、可穿戴設(shè)備顯示等場景，未來甚至可應(yīng)用于量子點(diǎn)LED主動發(fā)光顯示，是一項(xiàng)前景廣闊的顛覆性技術(shù)。

錘煉優(yōu)秀產(chǎn)品 添彩中國智造

“惟精惟一”，這是何海平十分喜歡的一句話。科學(xué)研究道阻且長，唯有用功精深、用心專一，才能有所收獲。

全固態(tài)鈣鈦礦發(fā)光量子點(diǎn)及擴(kuò)散板

對于鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，何海平感觸最深的一點(diǎn)就是，對成本、生產(chǎn)過程和市場需求的考慮更多了。“從前在實(shí)驗(yàn)室，解決的通常是單個問題。但是要市場應(yīng)用，卻必須考慮多種性能的綜合和平衡，形成相對成熟的產(chǎn)品。而有時為了實(shí)現(xiàn)這種平衡，必須舍棄一些在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)反復(fù)研究才找到的優(yōu)秀方案。比如，在我們提升量子點(diǎn)穩(wěn)定性的方案中，有一個方案的穩(wěn)定性其實(shí)是最好的。但偏偏這個方案的工藝過程不符合量產(chǎn)條件，只能被迫放棄。”那種忍痛割愛的心情，何海平至今難忘。這件事也時刻提醒著他，做科研與做產(chǎn)品的不同。“在實(shí)驗(yàn)室里，可以天馬行空地探索，而當(dāng)有了一個產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)，就必須收起那份不羈，跟隨市場需求，錘煉優(yōu)秀產(chǎn)品，堅定不移地走下去。”

2004年以來，何海平在葉志鎮(zhèn)院士的團(tuán)隊中從事科研已經(jīng)十九載。對何海平來說，葉志鎮(zhèn)院士既是德高望重的前輩，也是言傳身教的貴人。“葉老師常掛在嘴邊的一句話，就是‘只為成功找方法，不為失敗找理由’。很多時候即便吃飯、走路或閑暇時，他都在思考問題，樂此不疲；他看問題既深入長遠(yuǎn)，又關(guān)注細(xì)節(jié)，總能發(fā)現(xiàn)別人發(fā)現(xiàn)不了的問題。”葉志鎮(zhèn)院士的這些表現(xiàn)都在潛移默化地影響著團(tuán)隊里的氛圍，何海平更是深受熏陶。

目前，葉志鎮(zhèn)院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊中人才濟(jì)濟(jì)，研究互補(bǔ)，合作緊密。“其中，我和戴興良研究員組成了一個課題小組，他是浙江大學(xué)‘百人計劃’研究員，同時也負(fù)責(zé)公司的研發(fā)，是一位十分優(yōu)秀的青年才俊。此外，我們課題組與化學(xué)系的金一政教授保持著長期合作。金教授是量子點(diǎn)與鈣鈦礦發(fā)光顯示領(lǐng)域的著名專家。”依托浙江大學(xué)一流的平臺和資源，團(tuán)隊充分聯(lián)動產(chǎn)學(xué)研，在研究生培養(yǎng)上，也采用前瞻課題與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的方式，加深學(xué)生“把論文寫在祖國大地上”的意識。未來，何海平希望與各界同仁一道努力，研發(fā)出更多性能優(yōu)異、適應(yīng)多個應(yīng)用場景且兼顧未來發(fā)展趨勢的鈣鈦礦發(fā)光材料和產(chǎn)品，添彩“視”界、添彩中國智造。