原子沉積構筑全新未來

李文博

2018年5月，芬蘭技術學會宣布將“千年技術獎”授予芬蘭物理學家圖奧莫·松托拉，以表彰他研發(fā)了在信息技術領域發(fā)揮重要作用的原子層沉積技術。

原子層沉積技術可以將物質以單原子膜形式一層一層鍍在基底表面，在許多高科技領域發(fā)揮著重要作用。當前，幾乎所有的計算機和智能手機中都會使用通過原子層沉積技術制成的薄膜元件。不僅如此，原子層沉積技術的優(yōu)點也引起了其他領域的重視，且已經廣泛應用于如光伏太陽能板、光學鏡頭鍍膜、柔性電子、新能源電池、航空航天等相關領域中，并已初步實現(xiàn)產業(yè)化論證。目前，武漢大學工業(yè)科學研究院研究員李照東正致力于研究其沉積過程中的原子結晶行為，并將其應用于界面調控及綠色能源轉化器件，他期待原子層沉積技術在未來發(fā)揮出更大的作用。

探索——從物理出發(fā)

少年時，李照東就對物理有著濃厚的興趣，他第一次參加全國奧林匹克物理競賽時就拿過獎。高考填寫志愿時，他也是立足于自己的興趣，選擇了天津大學應用物理專業(yè)。在李照東的理解里，應用物理就是將物理的知識服務于社會?！耙驗閺男】催^的科學家故事里，我最喜歡發(fā)明家的故事，所以發(fā)明和應用更符合我的興趣。”在此后的近20年間，緣起于對物理世界的好奇心，李照東開啟了他的探索之路。

大三時，李照東有幸參與了全國第一屆國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目，跟著老師進入實驗室，他對科研產生了濃厚的興趣?！拔疫€記得，大三時跟著劉昌龍老師研究在退火情況下離子注入納米顆粒的演化，這是我第一次接觸到納米和熱物理過程。現(xiàn)在想想，這個經歷對我影響很深遠，因為我今天研究的原子層沉積也是一個熱物理過程?！边@樣的經歷促使李照東在本科畢業(yè)后，選擇了繼續(xù)深造學習。

2009年秋天，李照東踏上飛往美國路易斯安娜州的飛機，開始了在異國他鄉(xiāng)的求學之路。碩士期間，李照東讀的是材料物理，接觸到了用來制備納米材料的化學氣相沉積（Chemical?Vapor?Deposition，簡稱CVD）技術。“碩士讀完的時候，我在科研領域已經有了一定時間的訓練，那個時候有一種非常強烈的渴求，我得再學些什么，再了解些什么?！贝T士畢業(yè)后，李照東申請了美國威斯康星大學麥迪遜分校的材料工程專業(yè)，在王旭東教授課題組攻讀博士。

這是一個研究不斷深入的過程，而隨著研究的不斷深入，李照東與原子層沉積（Atomic?Layer?Deposition，簡稱ALD）的接觸也越深。ALD是一種基于有序、表面自飽和反應的化學氣相薄膜沉積方法。通俗來說，可以將一層層亞納米厚的薄膜均勻地“包”在物體表面。這種能夠將各種功能材料在亞納米尺度上實現(xiàn)均勻包覆的技術，很好地解決了目前功能器件中的缺陷和均勻性的問題，也是一種精確可控的薄膜生長技術。

博士期間，李照東的主要工作是ALD和CVD的生長機理與模式革新，以及實驗室ALD和CVD系統(tǒng)的搭建和維護。“我不光做研究，還開始做一些設備的設計搭建和維修的工作，科研習慣也從單純的書本和文獻上的科學問題拓展到實際應用問題?！崩钫諙|說，這是一個非常有意義的科學訓練，這個訓練讓他從最基本的部件單元開始了解儀器的系統(tǒng)，相當于軍人練習組裝槍支，從它的骨架構造開始了解，“所以我可以從結構單元上了解儀器本身的設計原理，并且進行改造升級，一旦一起出現(xiàn)問題，我也知道如何去修理它，這是一個從理論到實踐的訓練”。

李照東與美國農業(yè)部林產品實驗室的科學家合作，將所學的知識運用到實踐中。在所有納米結構的3D形態(tài)中，纖維素納米纖維（Cellulose?Nanofibers，簡稱CNF）因其豐富、低成本、可降解性和生物相容性而在納米制造中受到越來越多的關注。李照東利用從木材中提取的CNF作為模板，對沉積二氧化鈦（TiO2）薄膜材料進行高效的光電化學水分解。

利用CNF薄膜優(yōu)異的親水性能，李照東開發(fā)出了一種毛細管光電化學（Photoelectrochemical，簡稱PEC）裝置，用于在電解質體外部進行水分解反應。他將活性二氧化鈦納米管光陽極原位合成于導電基板上并用環(huán)氧樹脂封裝，在中心留下暴露區(qū)域，光陽極的底部與CNF薄膜接觸。在這個實驗設計中，光陽極放置在電解液之外，由于CNF優(yōu)異的親水性，毛細作用力可以將電解液快速、持續(xù)地“吸”到光陽極表面，從而避免了電解液對光能的吸收損耗，并且增加了反應動能，從而使光解水產氫的效率大幅提高。

以上研究成果，李照東以《納米纖維素模板制造二氧化鈦光陽極用于高效毛細法光電化學水分解制氫（Highly-Efficient?Capillary?Photoelectrochemical?Water?Splitting?Using?Cellulose?Nanofiber-Templated?TiO2?Photoanode）》為題發(fā)表在材料領域期刊《先進材料》（Advanced?Materials）上?！斑@是我博士階段發(fā)的第一篇文章，它解決了一個很關鍵的問題，這讓我非常有成就感。”李照東開心地回憶道。

沉浸——不忘初心，方得始終

博士畢業(yè)后，李照東在美國倫斯勒理工學院進行博士后的研究工作。在此工作期間，他革新了ALD前驅體種類與穩(wěn)壓供給技術，突破了二維材料共形包覆三維微納結構的難點，大幅提高了過渡金屬硫化物鋰離子電池電極嵌/脫鋰的穩(wěn)定性。

李照東利用固體的無機硫（S）與四氯化鈦（TiCl4）作為ALD前驅體，實現(xiàn)高溫下的多晶二維硫化鈦（TiS2）合成，同時設計了固相硫熔化與氣相硫注入的關聯(lián)控制系統(tǒng)，利用系統(tǒng)壓強變化脈沖（ΔP）反饋控制硫的熔化溫度，系統(tǒng)解決了ALD固體前驅體因蒸氣壓低造成的注入量不穩(wěn)定問題。

經過深入的實驗觀察與性能檢測研究，李照東發(fā)現(xiàn)與TiS2共形包覆結構相似的三維微納硫化釩（VS2）鋰離子電池電極，可以有效保持高鋰離子擴散率與電導率，同時吸收鋰離子出入電極晶格引起的應力突變，電極結構在嵌脫鋰下保持穩(wěn)定，容量保持率提升1.5倍（400個充放電周期）。在這一研究工作中，李照東完成全部CVD、ALD材料合成探索及參數(shù)優(yōu)化。以上研究成果，發(fā)表在《自然·通訊》（Nature?Communication）上。

此時的李照東，已經在美國的高校進行了近10年的科學研究，他對從未接觸過的美國國家實驗室十分好奇。因此，李照東在結束了倫斯勒理工學院的博士后研究項目后，入職美國國家可再生能源實驗室，開展新的研究工作。

在美國國家可再生能源實驗室的3年時間里，李照東在二維材料領域開展了一系列氣相合成及材料應用拓展方面的創(chuàng)新性工作，并且在綠色新能源轉化、碳中和研究領域取得了豐富的成果。僅2021年一年，李照東在領域內期刊《能源與環(huán)境科學》（Energy?&?Environmental?Science）上發(fā)表了2篇論文。除此之外，他還在新能源儲存催化方面發(fā)表了7篇論文，并兩次獲得美國國家可再生能源實驗室材料化學與計算科學部年度杰出貢獻獎。

在這個過程中，李照東也切身體會到了美國國家實驗室和美國高校在科研管理和科研目標方面的差異?！安煌诟咝τ谛掳l(fā)現(xiàn)的發(fā)散性探索，在國家實驗室里，它的每個科研項目都有明確的目標，每一個項目里科研人員都要根據目標開展工作，并在計劃的時間點完成并總結，以保證整個項目能達到既定目標?！崩钫諙|如此解釋道。

2020年，是新冠肺炎疫情非常嚴重的一年，李照東手上的研究工作卻沒有停擺，他每天早上依舊準時去實驗室報到。“我們實驗室的管理還是比較嚴格的，通過網上系統(tǒng)進行預約，每個時間段只能有一個人在工作，盡可能減少被感染的風險?！崩钫諙|說，科學研究是不會因為疫情而停下腳步的，所以他希望能利用這段時間做更多的研究積累，為之后回國做準備。

2022年4月，李照東回國到武漢大學工業(yè)科學研究院擔任博士生導師和研究員。李照東坦言，做科研是一個不斷攀登高峰的過程，只有真正掌握了知識和技術，才能成為獨當一面的科研工作者。“我覺得歷練到位了，這十幾年的海外之旅才不算浪費。”這是他最終選擇回國進高校做科研的原因。

信心——原子層沉積的新未來

在物理的世界里，李照東收獲了很多，他真切地感受著科學研究的重要意義，也從每個階段的導師身上體會到有恩師指引前行的珍貴。

李照東在大學時，跟著劉昌龍老師做過許多物理的實驗，第一次感受到文獻的魅力。讀博時，他在美國威斯康星大學麥迪遜分校王旭東老師的指導下第一次以實際問題為導向做研究，了解儀器和系統(tǒng)的維護和搭建后去解決相應的問題。做博士后時，王國慶老師增強了他解決問題的能力，教他如何寫出更優(yōu)的方案，如何去做實驗設計，規(guī)避實驗中可能會發(fā)生的危險。“這些經歷是一個很好的科研培訓，是我之后需要傳遞給學生的寶貴經驗?！崩钫諙|如是說道。

在王國慶老師的實驗室里，有一個柜子被李照東稱為“靈感之柜”，柜子里有好多以前學生留下的奇形怪狀的設備、零件，“我看著柜子里的零件，腦海里經常冒出許多的奇思妙想。之前做過的一個項目，就是在‘靈感之柜’里找到的靈感，最終完成了實驗”。這樣的場景總會讓李照東想起小時候在陽臺上翻爸爸的工具箱，那是值得他永遠回味的童年樂趣。

走在探索無止境的科研道路上，李照東遇到過很多的困難和失敗。面對失敗時，他卻有別樣的一番感悟?！拔业膸熜指艺f，失敗是盲人走進一個房間，他把房間里所有的墻角都摸出來，雖然可能是無用功，但卻了解了房間的大致空間，盲人也就知道了自己站在哪里，下一次就能走到正確的位置上，找到通向成功的道路?！闭蛉绱?，李照東從不害怕失敗，因為他知道自己離成功不遠了。

從2022年4月正式任職至今只有幾個月的時間，李照東還在慢慢適應和探索國內的科研生活?！拔宜诘膱F隊里年輕人特別多，老中青三代科研工作者結合得非常好。我向年長的老師學習請教，和年輕的老師互相鼓勵進步，我們相處得非常愉快?！边@是李照東非常喜歡的一種狀態(tài)。

作為一名老師，李照東希望自己的學生不怕困難，不輕易沮喪，并且樂于通過科學研究去做一些有挑戰(zhàn)的事，不以純功利主義去做研究，而是不忘初心，永遠記住自己選擇科研道路的初衷?！拔視目蒲辛晳T、批判性思維、動手能力、數(shù)據分析收集能力、資源整合能力、解決問題的能力、語言表達能力和學生指導的能力這幾個方面來培養(yǎng)我的學生?！彼Ｍ麑W生能夠全面發(fā)展，在科研的道路上越走越遠，并且能在不遠的將來培養(yǎng)更多的學生，為祖國的科研事業(yè)貢獻新的力量。

面向未來，李照東將延續(xù)之前在國外的研究方向，開展原子級熱力學與動力學精確調控ALD材料結晶的研究工作，推動先進ALD裝備和能源技術開發(fā)與材料合成技術深度融合?！拔业哪繕耸沁M行氣相沉積技術模式與裝備的革新，并通過機理調控開發(fā)出一些新的材料，應用于新能源領域?！蓖瑫r，面對國家提出的碳達峰和碳中和戰(zhàn)略，李照東也希望結合自己的所學，為國家貢獻綿薄之力。

（責編：蘇寒山）