在凝聚態(tài)物理研究中發(fā)現(xiàn)未來(lái)——記中科院上海應(yīng)用物理所研究員宋飛

本刊記者　汲曉奇

在凝聚態(tài)物理研究中發(fā)現(xiàn)未來(lái)——記中科院上海應(yīng)用物理所研究員宋飛

本刊記者汲曉奇

寒冷冬天的窗玻璃上，常出現(xiàn)形態(tài)各異的冰花；夏日雨后的荷葉上，常有滴滴水珠滾動(dòng)……這些現(xiàn)象對(duì)于普羅大眾只是平?，F(xiàn)象，而對(duì)于科學(xué)工作者卻是探索研究的源泉，“這是表面界面上的動(dòng)量、能量和質(zhì)量的遷移現(xiàn)象”，中科院上海應(yīng)用物理所宋飛，從他的專業(yè)角度闡釋了這兩個(gè)現(xiàn)象。

小現(xiàn)象中的大發(fā)現(xiàn)

每談到研究，平時(shí)少語(yǔ)的宋飛像變了個(gè)人似的，話匣子一下打開了，“凝”在東漢許慎的“說(shuō)文解字”一書中同“冰”，指的是水結(jié)成冰的過(guò)程。而英語(yǔ)表述是condense，指的是密度變大，從氣或蒸汽變液體?？磥?lái)西方人對(duì)凝聚現(xiàn)象的注意可能始于對(duì)氣體的觀察，特別是水汽從氣態(tài)到液態(tài)的現(xiàn)象。這是很有意思的差別，不過(guò)東西方二者原始意義的結(jié)合，恰恰就是今天凝聚態(tài)物理主要研究的對(duì)象—液態(tài)和固態(tài)。凝聚態(tài)物理學(xué)是從微觀角度出發(fā)，研究凝聚態(tài)物質(zhì)的宏觀物理性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系的一門學(xué)科。

作為當(dāng)今物理學(xué)最大也是最重要的分支學(xué)科之一，凝聚態(tài)物理學(xué)涵蓋了固體物理、晶體物理、金屬物理、半導(dǎo)體物理、電介質(zhì)物理等學(xué)科，研究范圍包括了與社會(huì)生活緊緊相關(guān)的方方面面——而正是這些與社會(huì)生活相關(guān)的研究深深吸引著宋飛。他最先關(guān)注到有機(jī)發(fā)光二極管，這項(xiàng)技術(shù)利用了有機(jī)薄膜的電致發(fā)光特性，“有機(jī)薄膜自身的電能如何？”這是他首先想到的，如果薄膜的導(dǎo)電性能不好，電荷的傳輸就會(huì)慢下來(lái)，而電子結(jié)構(gòu)本身的改變也會(huì)影響電子的傳輸性能。為此，他開始對(duì)不同厚度薄膜材料的電學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，在實(shí)驗(yàn)室自己搭建了納米探針電導(dǎo)測(cè)量平臺(tái)并利用掃描隧道顯微鏡譜、光電子能譜等系統(tǒng)，對(duì)組裝在Ag/Si（111）半導(dǎo)體表面上的CoPc有機(jī)分子層的電導(dǎo)、電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)等進(jìn)行測(cè)量。這是國(guó)際上第一次直接測(cè)量到了有機(jī)分子薄膜層的導(dǎo)電特性，與其他間接測(cè)量有機(jī)薄膜層電導(dǎo)性質(zhì)相比，更加直觀可信。這項(xiàng)研究不僅在探索有機(jī)半導(dǎo)體材料在金屬和半導(dǎo)體電極上自組裝的機(jī)理和電學(xué)性質(zhì)方面取得了重要的原創(chuàng)性成果；更重要的是，發(fā)現(xiàn)了有機(jī)分子薄膜層的電導(dǎo)隨其厚度呈現(xiàn)出非線性變化的規(guī)律和隨溫度變化而出現(xiàn)的相變現(xiàn)象。這項(xiàng)研究對(duì)設(shè)計(jì)新型光電器件及提高有機(jī)分子器件的效率和性能都有著重要的指導(dǎo)意義，解決了該領(lǐng)

域內(nèi)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。他的研究也在這個(gè)基礎(chǔ)上一發(fā)不可收拾。

從興趣使然到理性選擇

“最想讀軍校，去部隊(duì)為祖國(guó)的國(guó)防事業(yè)做貢獻(xiàn)”，這是年少時(shí)宋飛的夢(mèng)想，也是他本科選擇國(guó)防科技大學(xué)的原因。高中的物理課程學(xué)到了很多電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)的知識(shí)，讓他覺得能用物理知識(shí)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題非常有成就感，尤其是班主任“把物理知識(shí)掌握好了，就可以把知識(shí)與社會(huì)、科學(xué)結(jié)合起來(lái)，讓知識(shí)發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值”的一席話，令他最終選擇了偏應(yīng)用的光電物理，從此走上了應(yīng)用物理研究征途。

本科畢業(yè)后，受學(xué)長(zhǎng)影響，宋飛選擇了去浙江大學(xué)從事凝聚態(tài)物理研究，并有幸遇到在凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域中頗有一番見解的良師。在導(dǎo)師的引導(dǎo)下，宋飛經(jīng)歷了從最初探索新材料到相關(guān)研究制備，從研究相關(guān)機(jī)理到對(duì)以應(yīng)用為背景的有機(jī)發(fā)光二極管器件研究，再到表/界面電子傳輸、傳輸效率、電導(dǎo)性質(zhì)等研究。在一步步的摸索中，他從對(duì)凝聚態(tài)物理產(chǎn)生興趣，發(fā)展到不斷研究，不斷總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上，先后發(fā)表了《有機(jī)半導(dǎo)體在金屬表面上的電子態(tài)研究》《吸附在金屬表面上的二維有機(jī)薄膜的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)測(cè)量》等一系列學(xué)術(shù)論文。隨著專業(yè)研究的深入，隨著人生閱歷的增長(zhǎng)，宋飛愈來(lái)愈感到研究不僅是限于學(xué)術(shù)，研究還要有別的意義……這時(shí)，浙大要選送一批成績(jī)優(yōu)異，具有發(fā)展前景的學(xué)生到海外進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，天道酬勤，宋飛被浙大第一批選中，2007年，他踏上了異國(guó)研究旅程。

在7年的“游學(xué)”中，宋飛在丹麥、荷蘭、挪威、德國(guó)等不同國(guó)家的不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，在不同的環(huán)境中，與不同科技工作者的交流中，宋飛發(fā)現(xiàn)表面/界面工程技術(shù)是當(dāng)前材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)、還是發(fā)展新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)點(diǎn)和結(jié)合點(diǎn)，他告訴記者，“一般來(lái)說(shuō)物體本身是均一的物態(tài)，所以不會(huì)發(fā)生太大變化，然而在兩種不同材料的交匯處，即我們所說(shuō)的表面/界面，就會(huì)產(chǎn)生電學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)以及功效性質(zhì)等一系列變化，這些變化不僅在理論上有重要的研究?jī)r(jià)值，而且在幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用”，“這些年的研究經(jīng)歷告訴我，所有的研究項(xiàng)目都要有明確的目標(biāo)”。他的目標(biāo)就是，研究凝聚態(tài)物質(zhì)表面和界面處各種新穎的物理現(xiàn)象和性質(zhì)，比如新型低維納米結(jié)構(gòu)電子性質(zhì)的表征和調(diào)控，解決新型器件如有機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、有機(jī)發(fā)光二極管中界面處影響器件效率的一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

7年的“游學(xué)”不僅令宋飛開闊了眼界，找到了研究的意義，而且最大的收獲是獨(dú)立思考和動(dòng)手能力。在國(guó)外，不論是研究生，還是博士生一般只有幾個(gè)月的適應(yīng)期，此后就必須由學(xué)生自己獨(dú)立思考、摸索、親自動(dòng)手操作，并在每周的組會(huì)上要闡述自己的研究和發(fā)現(xiàn)，這些對(duì)開展科學(xué)研究具有很大的啟發(fā)作用，這與國(guó)內(nèi)學(xué)生動(dòng)手能力和獨(dú)立思考能力不強(qiáng)形成了鮮明對(duì)比。具體是什么原因造成這種差距？宋飛認(rèn)為，一方面是因?yàn)閲?guó)內(nèi)學(xué)生多而實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，學(xué)生可操作的時(shí)間有限，同時(shí)也擔(dān)心損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備而受到導(dǎo)師的批評(píng)，大大降低了親自動(dòng)手的積極性；同時(shí)，國(guó)內(nèi)不少學(xué)生都習(xí)慣于參考一定程序和模式，沒有思考過(guò)程。他希望在對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)中要增加一些獨(dú)自動(dòng)手和獨(dú)立思考的機(jī)會(huì)，他希望，他的學(xué)生能多向他提問(wèn)，能勇于探索，這也是他回國(guó)的一個(gè)目標(biāo)。

當(dāng)談到回國(guó)目標(biāo)時(shí)，宋飛說(shuō)，“國(guó)內(nèi)的科研進(jìn)步非常大，特別是近幾年，國(guó)家不但在科研的硬件與軟件上投入很大，而且對(duì)人才扶植也很大，就想盡快回國(guó)，建立起一支高效的科研團(tuán)隊(duì)，利用自己的研究專長(zhǎng)以己之力為國(guó)家做點(diǎn)貢獻(xiàn)?！?014年，宋飛放棄了國(guó)外優(yōu)越的條件，作為中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”海外杰出人才引進(jìn)回國(guó)。

科研的意義在于應(yīng)用

“科研的目的在于應(yīng)用，應(yīng)用研究的意義是造福于社會(huì)、造福于民”，在研究中宋飛始終堅(jiān)守著這樣的理念，他認(rèn)為，如果只強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)物理研究，會(huì)與應(yīng)用結(jié)合脫離太遠(yuǎn)；如果一味強(qiáng)調(diào)“探索發(fā)現(xiàn)”，又容易“天馬行空”使目標(biāo)不明確，喪失科研的意義。

傳統(tǒng)的石墨烯要1000多度的高溫，才能將碳化硅中的“碳”分離出來(lái)，形成石墨烯。1000多度的高溫不僅能耗高，形成資源浪費(fèi)，而且，這樣的高溫會(huì)導(dǎo)致樣品形成缺陷，能不能把溫度降低？在研究中宋飛常常這樣想。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵遇到硅時(shí)會(huì)形成新的化合物，在700度的溫度下，“碳”就能輕易分離出來(lái)，形成石墨烯。這項(xiàng)“一舉兩得”的研究，不僅降低溫度，得到了石墨烯，還創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了人為調(diào)控的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，如石墨烯量子點(diǎn)、石墨烯納米帶、石墨烯納米島等，“這是因?yàn)殍F膜的形狀可人為控制所致”。

隨著新能源、新材料在各領(lǐng)域方興未艾的廣泛應(yīng)用，太陽(yáng)能電池作為新能源中一支新秀，異軍突起，倍受市場(chǎng)青睞，其涵蓋內(nèi)容廣泛。然而，在制作多晶硅的環(huán)節(jié)中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重污染，加之清洗材料中含有各種化學(xué)制劑，使污染加重。而中國(guó)作為多晶硅太陽(yáng)能電池原料的出口大國(guó)，深受其害，研究無(wú)污染的新型能源成為國(guó)家重大戰(zhàn)略需求?；貒?guó)后，宋飛敏銳地捕捉到這個(gè)信息，他

發(fā)揮一己之長(zhǎng)，在功能性有機(jī)薄膜材料和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池上開展了一系列研究。基于對(duì)不同類型的薄膜材料的深刻認(rèn)識(shí)，他特意挑選幾種功能性薄膜材料并結(jié)合在一起，從而制備出性能優(yōu)異的電子產(chǎn)生層、空穴產(chǎn)生層等。

在研究中，盡管他的側(cè)重點(diǎn)是應(yīng)用研究，但他認(rèn)為，基礎(chǔ)物理研究也會(huì)對(duì)核心的應(yīng)用研究產(chǎn)生影響。比如在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中，他就是借鑒前期有機(jī)薄膜的機(jī)理研究，通過(guò)摻雜引入功能性有機(jī)小分子，發(fā)現(xiàn)器件的性能得到了大幅提升，并通過(guò)研究其光電轉(zhuǎn)換效率的提升與相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，找到能形成穩(wěn)定的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)且擁有較高的光電轉(zhuǎn)換效率的納米材料。他希望，通過(guò)這些研究，能為國(guó)家在新能源和新材料的發(fā)展上做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

大平臺(tái)上的那扇窗

2014年8月底，宋飛加入了上海光源的大團(tuán)隊(duì)。如果說(shuō)上海光源是我國(guó)迄今建成的規(guī)模最大的大科學(xué)裝置和多學(xué)科研究平臺(tái)，那么，宋飛的研究就是這個(gè)平臺(tái)上展示風(fēng)景的那扇窗。這里是我國(guó)提升原始創(chuàng)新能力和培養(yǎng)凝聚優(yōu)秀人才的多學(xué)科交叉研究的重要平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果大都是在超高真空或超低壓等非常潔凈的環(huán)境中得到的，雖然材料的性能非常好，但在真實(shí)環(huán)境中，受氣壓、水分、各種污染氣體影響，其原有的性能很有可能就會(huì)不復(fù)存在甚至改變，這意味實(shí)驗(yàn)室中得到的好產(chǎn)品在真實(shí)應(yīng)用環(huán)境中將可能失效，如何彌補(bǔ)這個(gè)壓力鴻溝便成了當(dāng)下亟待解決的難題。方向決定行動(dòng)，人才托起成功，借助上海應(yīng)用物理研究所材料與能源科學(xué)部的科研力量，宋飛很快組建了一支蓬勃的科研團(tuán)隊(duì)。借鑒國(guó)外同類裝置的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，他們?cè)O(shè)計(jì)了軟硬X射線結(jié)合的近常壓光電子能譜實(shí)驗(yàn)站，以便模擬一個(gè)盡可能真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，規(guī)劃已經(jīng)獲得國(guó)內(nèi)外專家的可行性評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)。這期間大到實(shí)驗(yàn)站的布局規(guī)劃，小到各個(gè)腔體的大小及擴(kuò)展窗口的選擇無(wú)不傾注著整個(gè)團(tuán)隊(duì)的心血?！皩?shí)驗(yàn)站一旦建成不但可通過(guò)調(diào)節(jié)入射光子能量，實(shí)現(xiàn)逐原子層（layer by layer）的元素分辨及化學(xué)形態(tài)的精細(xì)識(shí)別，而且能在氣相、液相、固相等原位條件下，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)各種樣品的物理結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)形態(tài)，直接觀察到表面反應(yīng)過(guò)程、形貌結(jié)構(gòu)變化，從而滿足材料、物理、化學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的多重需求?！?/p>

宋飛欣喜的不僅是他的多項(xiàng)研究將在這個(gè)平臺(tái)上得以實(shí)施，而且能通過(guò)這道窗，向世界展示他們?cè)瓌?chuàng)的、新穎的“風(fēng)景”。