趙永生：扎根“光領(lǐng)域”，做出大成果

關(guān)偉

“我一般都是9點左右上班，上午處理郵件，到各大學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)站瀏覽最新研究動態(tài)，有時需要參加一些會議，下午找學(xué)生討論研究進(jìn)展。晚上辦公室比較安靜了，我會寫寫項目書，給學(xué)生改改論文。以前一般晚上十二點左右回家，現(xiàn)在住得離單位遠(yuǎn)了，通常十點多回家?！壁w永生描述的自己一天的工作狀態(tài)，簡單而忙碌。

走在中國科學(xué)院化學(xué)研究所園區(qū)，趙永生樸實的形象，很容易讓人把他誤認(rèn)為是一名學(xué)生。但現(xiàn)實中，趙永生是中科院化學(xué)所研究員、中科院光化學(xué)重點實驗室副主任，并在中國科學(xué)院大學(xué)任教。

趙永生在國際上引領(lǐng)了有機(jī)納米光子學(xué)材料與器件這一前沿交叉方向的研究。他用化學(xué)思想發(fā)展了新型光子學(xué)材料，推動了有機(jī)激光材料在可穿戴器件與下一代顯示技術(shù)中的應(yīng)用;以有機(jī)材料的光子學(xué)特異性為突破口，他揭示了分子在凝聚態(tài)下特殊的激發(fā)態(tài)動力學(xué)過程，促進(jìn)了光化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。針對本領(lǐng)域研究需求，趙永生發(fā)展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米光子學(xué)表征新技術(shù)，在多家高校、研究所及企業(yè)進(jìn)行推廣，顯著提升了我國在納米光電子領(lǐng)域的整體創(chuàng)新能力。

2021年9月，2020年度“北京市科學(xué)技術(shù)獎”揭曉，趙永生榮獲2020年度“北京市杰出青年中關(guān)村獎”。

做科研，離不開一位好的導(dǎo)師。在這方面，趙永生認(rèn)為自己是幸運的。

在中科院化學(xué)所攻讀博士學(xué)位期間，趙永生師從姚建年院士。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，趙永生開始接觸有機(jī)光功能材料。博士期間，趙永生將色譜柱用的吸附劑引入氣相沉積系統(tǒng)，解決了有機(jī)小分子單晶材料的制備問題，將有機(jī)低維材料的研究從無定型粒子拓展到了單晶體系。

2006年，趙永生博士畢業(yè)?！氨緛泶蛩惝厴I(yè)后出國做博士后，但是手頭剛開始的比較重要的工作還沒有結(jié)束，而且沒有第一時間聯(lián)系到研究方向比較相關(guān)的課題組。”趙永生說，“姚老師建議我繼續(xù)留在組里做一段時間，建議我大膽做一些新的嘗試，爭取在博士工作的基礎(chǔ)上有實質(zhì)性突破?！?/p>

趙永生于是開始研究有機(jī)微納晶體材料的光子學(xué)行為。在接下來的幾個月時間，趙永生首次觀察到了有機(jī)一維單晶材料的光波導(dǎo)性質(zhì)和激光出射行為，后來報道了世界首例有機(jī)納米激光器。《自然》雜志在其“News&Views”欄目專文介紹和評價了該研究成果。

在博士畢業(yè)后的半年里，趙永生所做的工作后來發(fā)表了一系列高水平論文，其中幾篇是有機(jī)納米光子學(xué)領(lǐng)域最原始的經(jīng)典工作，從此掀起了該領(lǐng)域此后十幾年的研究熱潮。文章中報道的一些關(guān)鍵性能參數(shù)成為后來本領(lǐng)域同行評價材料性能的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

博士畢業(yè)的第二年初，趙永生前往美國，先后在加州大學(xué)洛杉磯分校和西北大學(xué)從事博士后研究?！霸趪獾膸啄觊g，除了學(xué)習(xí)一些先進(jìn)的科研經(jīng)驗，更重要的是學(xué)會了對研究工作的獨立思考。”趙永生回憶道。

留學(xué)期間，趙永生深受導(dǎo)師的啟發(fā)，樹立了“去做一兩件有用的事情”的夢想?！拔蚁嘈胖灰Π凑者@個目標(biāo)去做，在今后的科研工作中，也會有機(jī)會做出一兩件改變生活方式的事情。”這個想法影響了他回國開展獨立研究工作時的選題方向。

2009年趙永生回國入職中科院化學(xué)所，致力于有機(jī)半導(dǎo)體光子學(xué)材料，特別是有機(jī)激光材料方面的研究。

早在2011年，趙永生課題組發(fā)現(xiàn)，有機(jī)材料的激子弗倫克爾激子（Frenkel?Excitons）跟無機(jī)材料的瓦尼爾（Wannier?Excitons）相比，具有較高的束縛能和穩(wěn)定性，可以在室溫甚至更高溫度下通過激子與光子的耦合形成一種半光半物質(zhì)的新的量子態(tài)——“激子極化激元”（Exciton?Polariton）。但在傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體材料中，這種耦合態(tài)的形成通常需要極低的溫度。

這種半光半物質(zhì)的量子態(tài)兼具光子和激子的屬性。光子本身是一種不帶電荷的玻色子，其行為很難進(jìn)行人為操縱，激子極化激元的形成，使得通過對激子的操縱來間接地操縱光子成為可能。

在2018年的一項工作中，趙永生團(tuán)隊首次利用靜電場對激子擴(kuò)散行為的影響，在單根有機(jī)半導(dǎo)體納米線中打破了光傳輸?shù)膶ΨQ性。他們將單根有機(jī)單晶波導(dǎo)材料置于一個外加電場中，原本向納米線的兩個相反方向上等量對稱傳輸?shù)募ぷ樱陔妶鲎饔孟掳l(fā)生了重新分配，因此電場的引入可以同時打破光傳輸?shù)膶ΨQ性，實現(xiàn)電場控制的光學(xué)二極管功能。

趙永生團(tuán)隊的研究成果，將為攻克“電泵浦激光”難題提供基礎(chǔ)

這是首次在微納結(jié)構(gòu)中通過外加靜電場調(diào)控光子行為來實現(xiàn)這一功能，這一結(jié)果為實現(xiàn)對光子學(xué)功能器件的遠(yuǎn)程控制，優(yōu)化集成光子器件結(jié)構(gòu)提供了重要借鑒，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)-進(jìn)展》。

趙永生介紹，激子極化激元作為一種新的玻色子，可以展現(xiàn)出玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）的量子現(xiàn)象。玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是繼氣、液、固以及等離子態(tài)之后物質(zhì)的第五態(tài)，這種現(xiàn)象通常是在極低溫度下的冷原子中實現(xiàn)的。有機(jī)材料中的激子有可能在更高溫度，甚至室溫下實現(xiàn)BEC，從而表現(xiàn)出新穎的性質(zhì)，例如超流體、相干光產(chǎn)生等，在拓?fù)涔鈱W(xué)、量子調(diào)控等方面具有重要應(yīng)用。

2021年6月，趙永生團(tuán)隊在有機(jī)微納結(jié)構(gòu)中，首次實現(xiàn)了室溫下的激子極化激元玻色-愛因斯坦凝聚，研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上。

激子極化激元的產(chǎn)生需要特殊的微腔結(jié)構(gòu)，而目前所采用的微腔結(jié)構(gòu)器件尺寸大、難以控制激子極化激元的傳播。這對進(jìn)一步集成應(yīng)用帶來了困難。

為此，趙永生團(tuán)隊設(shè)計出一個新穎的結(jié)構(gòu)，來擺脫產(chǎn)生激子極化激元對外加微腔結(jié)構(gòu)的“剛需”。研究人員選擇一種具有平面剛性結(jié)構(gòu)并帶有側(cè)向取代基的有機(jī)分子，將其組裝成厚約百納米、寬度幾微米、長度幾百微米的帶狀單晶結(jié)構(gòu)，發(fā)展出一種有機(jī)半導(dǎo)體單晶微米帶。

“這種形貌規(guī)整、表面光滑的微米帶可以充當(dāng)一個波導(dǎo)微腔，在光激發(fā)下，有機(jī)材料中的激子與微腔光子發(fā)生強(qiáng)耦合?！壁w永生介紹。

在光激發(fā)下，有機(jī)材料中的激子與微腔光子發(fā)生強(qiáng)耦合，微米帶中產(chǎn)生大量的激子極化激元，在在有機(jī)分子振動能級的輔助下，最終形成玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

“這項工作取得了令人激動的結(jié)果，將在有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)光電子學(xué)領(lǐng)域引起極大的研究興趣?！壁w永生團(tuán)隊的工作獲得了審稿人的高度評價。

趙永生表示，已有的研究證實，激子極化激元玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)有望成為“電泵浦激光”的有效途徑之一。團(tuán)隊的研究成果，將為攻克“電泵浦激光”難題提供基礎(chǔ)。

在做好化學(xué)交叉科學(xué)基礎(chǔ)研究的同時，趙永生團(tuán)隊致力于發(fā)展新型有機(jī)光子學(xué)功能材料，并探索它們在可穿戴器件與下一代顯示技術(shù)中的應(yīng)用，代表性的成果包括激光平板顯示與柔性光子皮膚。

當(dāng)前，顯示技術(shù)突飛猛進(jìn)，正向著更大、更亮、更艷麗、更輕薄、更震撼的下一代產(chǎn)品飛速發(fā)展。激光顯示具有全色域、高亮度、極限高清、真3D等優(yōu)勢，是繼陰極射線顯示、液晶顯示、LED顯示之后的下一代技術(shù)，被業(yè)界稱為“人類視覺史上即將到來的一場革命”。

激光顯示已經(jīng)在激光電視、激光影院等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商品化。然而，這種利用投影三基色激光的方式限制了激光顯示在手機(jī)等平板領(lǐng)域的應(yīng)用。將紅綠藍(lán)三色的微納激光作為單個像素，構(gòu)建主動發(fā)光的全色激光陣列作為顯示面板，是發(fā)展平板激光顯示的關(guān)鍵。

針對激光平板顯示的關(guān)鍵需求，趙永生團(tuán)隊充分發(fā)展了精準(zhǔn)打印和印刷技術(shù)，構(gòu)建了紅綠藍(lán)微納激光陣列作為顯示面板，實現(xiàn)了主動發(fā)光激光顯示，解決了當(dāng)前激光投影顯示無法用于手機(jī)、平板、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的問題。在制得的顯示面板上，每個像素點都是一個獨立的激光點。

利用這種自發(fā)光的激光面板還可以實現(xiàn)圖案的動態(tài)顯示，用于信息滾動播出、視頻播放等。該工作為發(fā)展高性能、易加工的平板激光顯示及照明器件提供了一種可行的解決方案。相關(guān)工作發(fā)表在《自然-通訊》上。

無論是科幻世界里，還是在現(xiàn)實生活中，“人型機(jī)器人”都受到極大關(guān)注。而“人形機(jī)器人”不光要有人的外形，還得有能感覺的皮膚，像真正的人一樣擁有觸覺、溫覺和痛覺。

2021年7月底，趙永生團(tuán)隊在《科學(xué)-進(jìn)展》上發(fā)表論文，宣布研制出了最新款的人造光子皮膚。趙永生團(tuán)隊首次提出用柔性有機(jī)激光材料制備出具有傳感功能的激光陣列的思路，并發(fā)展了“雙層電子束直寫技術(shù)”實現(xiàn)了這一思路，創(chuàng)新性地設(shè)計出“三維支撐性微盤結(jié)構(gòu)”，最終展示了其類皮膚的機(jī)械傳感應(yīng)用。

當(dāng)前，繼利用柔性電子學(xué)原理設(shè)計的人造智能皮膚已經(jīng)取得長足進(jìn)展后，柔性光子學(xué)原理成為吸引科學(xué)家關(guān)注的新方向。“光子學(xué)有非侵入性、超靈敏性、無電磁干擾以及并行處理等優(yōu)點，有望進(jìn)一步推進(jìn)人造智能皮膚的發(fā)展。”趙永生表示。

前期工作中，趙永生團(tuán)隊圍繞有機(jī)激光材料開展了深入研究，并探索了柔性有機(jī)激光材料的可控加工，為最終實現(xiàn)具有傳感功能的柔性光子皮膚奠定了基礎(chǔ)。

為了實現(xiàn)靈敏感知的功能，趙永生團(tuán)隊在透明的聚合物襯底上對許多微型有機(jī)微納激光器進(jìn)行“排兵布陣”。類似于電子屏幕上像素點越多分辨率就越高，激光器越多，則光子皮膚的“感覺”越細(xì)膩。

想要在類似皮膚的柔性襯底上構(gòu)筑“陣列”面臨嚴(yán)重的技術(shù)困難，在硅基材料加工領(lǐng)域相對成熟的光刻技術(shù)對于絕大多數(shù)的有機(jī)材料很難適用。為此，研究人員發(fā)展了“雙層電子束直寫技術(shù)”，相當(dāng)于用一種特殊的“筆”把有機(jī)激光材料“寫”在襯底上。

在“寫”“陣列”的過程中，科研人員還發(fā)明了一種特殊的結(jié)構(gòu)?！叭绻延袡C(jī)微納激光器平整地‘貼’在柔性的‘皮膚’上，隨著關(guān)節(jié)活動它可能會發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)碎裂和變形，這樣會對光子學(xué)性能產(chǎn)生不利影響?！壁w永生介紹。

為此，他們設(shè)計出一種三維的“支撐型微盤結(jié)構(gòu)陣列”。實驗證明，該結(jié)構(gòu)能夠維持“皮膚”的機(jī)械穩(wěn)定性，不受關(guān)節(jié)活動影響。同時，它還可以有效抑制光場向襯底的泄露，讓微盤腔具有較強(qiáng)的光學(xué)限域能力。

在概念性光子皮膚展示實驗中，科研人員將柔性耦合線-盤傳感芯片貼附在人手模型上，實現(xiàn)了多種手勢的識別。未來，這種新型柔性光子學(xué)芯片在人的本體感覺重構(gòu)、人機(jī)交互和機(jī)器人自保護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

趙永生在有機(jī)納米光子學(xué)材料與器件等領(lǐng)域的多項創(chuàng)新性研究工作，得到了國內(nèi)外同行和學(xué)術(shù)團(tuán)體的廣泛認(rèn)可。在國內(nèi)，他已經(jīng)獲得了十余項有重要影響的學(xué)術(shù)獎勵。其中他本人作為主要完成人獲得國家自然科學(xué)二等獎（第二完成人）、中國科學(xué)院杰出科技成就獎（集體獎突出貢獻(xiàn)者）、中國分析測試學(xué)會科學(xué)技術(shù)一等獎（第一完成人）等集體獎項;獲得的主要個人獎項包括：2020年何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎、2016年中國青年科技獎、2014年中國化學(xué)會-贏創(chuàng)化學(xué)創(chuàng)新獎、2014年中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎、2011年中國化學(xué)會青年化學(xué)獎等。

與此同時，趙永生還于2015年入選英國皇家化學(xué)會會士，同年獲得了英國皇家化學(xué)會旗艦期刊設(shè)立的ChemComm未來科學(xué)家獎，這是該獎項設(shè)立十多年來首次授予亞洲地區(qū)的青年科學(xué)家。2013年，趙永生榮獲亞洲大洋洲光化學(xué)協(xié)會青年科學(xué)家獎，2014年獲中美化學(xué)教授協(xié)會杰出教授獎。

作為博士生導(dǎo)師，趙永生也在做好研究工作的同時，特別注重對青年科技人才的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。目前，趙永生團(tuán)隊有20人左右的規(guī)模，過去10年培養(yǎng)了20多名博士研究生，其中有5人獲得中科院研究生的最高獎——中科院院長獎，1人獲中國科學(xué)院百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎。

在培養(yǎng)的年輕人中，1人獲基金委優(yōu)秀青年基金支持。已畢業(yè)的博士生中，有10多人在國內(nèi)高校和研究所擔(dān)任教授、副教授，他們正在自己的教學(xué)科研崗位上，將團(tuán)隊的學(xué)術(shù)思想和科研態(tài)度進(jìn)一步發(fā)揚光大。閆永麗研究員是趙永生團(tuán)隊中的一員，2020年，閆永麗獲得北京市杰出青年基金支持。

“北京的科研氛圍是最好的，從基礎(chǔ)上來說，也是最深厚的。”趙永生表示，良好的科研環(huán)境，是促成成果涌現(xiàn)的重要土壤。

目前，北京是我國科技基礎(chǔ)最為雄厚、創(chuàng)新資源最為集聚、創(chuàng)新主體最為活躍的區(qū)域之一，擁有90多所大學(xué)、1000多所科研院所和近3萬家國家級高新技術(shù)企業(yè)。在北京的國家重點實驗室有128家，每天設(shè)立的科技型企業(yè)超過300家，這決定了北京具備發(fā)展新賽道和未來產(chǎn)業(yè)的硬實力。

“十四五”期間，北京將充分發(fā)揮科技和人才優(yōu)勢，“鍛長板、補短板”，堅持“四個面向”，深化科技體制改革，推進(jìn)“揭榜掛帥”等新的科研組織方式，在前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多“0到1”的突破。

趙永生表示，團(tuán)隊將不斷努力，爭取產(chǎn)出更多重大成果，助力北京國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)。

趙永生，1979年3月生于山東省淄博市，本科畢業(yè)于青島大學(xué)，2006年在中國科學(xué)院化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員，研究方向為物理化學(xué)、光電功能材料。其研發(fā)了世界上第一個有機(jī)納米激光器，突破了有機(jī)材料集成化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，發(fā)展了新型納米光子學(xué)表征技術(shù)，并進(jìn)行了技術(shù)轉(zhuǎn)化與推廣應(yīng)用。2021年9月榮獲2020年度“北京市杰出青年中關(guān)村獎”。