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《Light》人物:专访吉林大学宋宏伟教授

发布日期:2021-02-05     作者:中国光学澎湃号      编辑:苏璇     点击:

中国光学澎湃号】《Light》记者 | 徐文、郝振东

编者按

近期,纳米光电领域著名学者、吉林大学宋宏伟教授接受了《Light》特邀记者徐文(吉林大学电子科学与工程学院)、《Light》记者郝振东(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Light学术出版中心)的专访。宋宏伟教授围绕稀土发光材料、光电子材料与器件应用研究等方面话题进行了深入的解答,展望了纳米发光研究未来的发展方向,分享了自己的亲身经历和独到见解。

《Light》人物是《Light: Science & Applications》发起的系列高端人物访谈栏目。本期我们很荣幸邀请到纳米发光与光电器件领域国家科技创新领军人才——宋宏伟教授。本期的采访将为大家呈现一位敢为先锋、勇于突破、精力充沛、幽默风趣的学术界领军人物的卓越风采。

宋宏伟 教授

吉林大学电子科学与工程学院/集成光电子国家重点联合实验室教授、博士生导师;中科院BR计划(2000)、国家杰出青年基金获得者(2009)、吉林省第三批省管高级专家(2011)、领衔的“微纳信息材料与器件创新团队”入选国家重点领域创新团队(2017)、第四批国家万人计划领军人才(2018)。现担任中国颗粒学会发光专业委员会副主任、中国物理学会发光分会委员、中国稀土学会发光专业委员会委员,是Nanomaterials、Journal of Nanosciences and Reports、Scientific Report、Current Chinese Science、《发光学报》等学术期刊的编委,以及高等学校优秀科研成果奖、国家自然科学奖的会评专家。主要从事稀土发光材料、光电子材料与器件研究;代表性成果:首次实现了钙钛矿纳米晶中稀土离子的掺杂,获得了量子效率接近200%的量子剪裁发光材料,并将该材料作为荧光转换层应用于晶硅电池,使电池的光电转换效率提高3-4个百分点,相对参考器件效率提高20%,经Science亮点报道,被评价为近年来最激动人心的工作之一。迄今在Advanced Material, Advanced Energy Material, Nano Letters, Light: Science and Applications等国际重要学术期刊发表SCI论文360余篇,撰写英文专著2章,累计SCI他引10000多次,H因子60,2014-2020年连续入选中国高被引学者榜单。获国家自然科学二等奖、吉林省自然科学一等奖、吉林省科技进步一等奖、高等学校优秀科研成果自然科学二等奖等学术奖励。

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《Light》特邀记者徐文:宋教授,您2000年回国后到中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称长光所)工作,并建立研究团队,从事稀土纳米发光材料的基础物理问题研究。2007年您回到母校吉林大学电子学院工作,方向转变到以纳米发光和光电器件研究为主。请问是什么原因让您拥有了这么一条独特的学术轨迹?哪些因素对您的研究定位和学术方向产生了重要影响?

宋宏伟:学术转型既要考虑学术微环境的变化,也要兼顾大环境的发展趋势。首先,就我自己个人而言,要适应学术环境的变化。我在长光所工作时的部门是中科院激发态物理重点实验室(现为发光学及应用国家重点实验室),我的研究方向一直是实验室的“正统”与“主流”。来到吉林大学后,我所在的实验室是集成光电子国家重点实验室,其学术定位与以往的实验室有了本质不同,所以调整学术方向是适应新的学术环境的必然选择。这就好比一个球员转会到了一个新的球队,如果不改变风格去适应新的战术体系,就会有从主力球员沦落为板凳球员的风险。另一方面,我所一直从事的稀土发光与光谱学研究肇始于上世纪60年代,是一门有点儿古老的学科,我一直将其比喻为一个古典的美女,美则美矣,但是脸上却露出了些许沧桑。举个例子,在上个世纪CRT和PDP显示技术一直占据显示领域的主要地位,但到了本世纪,随着液晶显示的兴盛,其逐步退出了历史舞台,与之相对应的稀土CRT/PDP荧光材料,自然而然就失去了原有的市场。如果我在研究中固守田园,那无异于骑着高头大马、握着长枪挑战风车的唐吉诃德。经过几代人的努力,吉林大学电子学院在光电子器件研究方面形成了传统优势,如有机电致发光器件、GaN半导体发光器件等。在我布局与谋划学术方向的时候,既要考虑自己团队的知识背景与研究基础,又要考虑汲取电子学院的精华为我所学、为我所用,同时也要考虑与其已有方向的差异与互补。综合这些因素,我把自己团队的学术方向定位为基于稀土掺杂的新型纳米半导体(如钙钛矿)发光和光电器件。

宋宏伟教授在实验室指导学生

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《Light》特邀记者徐文: 铅卤化物钙钛矿材料最近成为光电领域的明星材料。2017年,您在国际上最早报道了稀土掺杂的铅卤化物钙钛矿发光材料,解决了实际的量子剪裁发光材料效率低和吸收系数小的难题;您进一步将其用于提高太阳能电池效率,并突破了效率提升的最高记录【Ref. 1-2】,在国内外引起了很大反响。您当时为什么会想到这样一个课题?您对这个材料未来的发展有哪些期望,下一步研究会面临哪些挑战呢?

宋宏伟:量子剪裁发光是上世纪70年代提出的一个物理概念,它是指在高能光子激发下,发光物质由高能态经由中间态(可以是实的也可以是虚的能态)级联发射两个光子的非线性发光过程,理论上的发光量子效率可以达到200%。最初的研究驱动力主要来自寻找高效率的无汞荧光照明材料和PDP显示材料,上世纪90年代有科学家提出将量子剪裁发光(主要是Yb3+的988 nm发光)应用于晶硅电池,提高其光电转换效率,这一领域的研究一直持续到新世纪。但是以往的研究一直没有发现一种可以实用化的理想材料,其主要原因就是人们一直企图利用稀土离子间的能量传递过程(如Pr3+与Yb3+,Tb3+与Yb3+)来实现这一目标, 而这会受到稀土离子4f-4f跃迁吸收截面小和谱带窄的制约。我在2013-2014年间也安排了1名博士生进行NaYF4基质中Tm3+-Yb3+以及Er3+-Yb3+间量子剪裁发光的研究,但我很快就意识到问题,主动撤出了阵地,因为我当时没有找到解决问题的策略。我们在2017年实现了CsPbCl3量子点中稀土离子的掺杂,隐约感觉其吸收截面高,声子能量低,能带又基本与Yb3+匹配(7F5/2-7F7/2跃迁能量的2倍以上),莫非找到了真命天子?于是我让当时的博士研究生周东磊去尝试,这一试居然成功了。我们所发明的这种材料,可以将紫外到蓝光区域(300-450 nm)的光子高效地转换到晶硅电池的理想响应区域,成功避免了热效应所造成的电池能量损失,可使电池光电转换效率相对提高20%,远远超越其它的荧光转换技术,堪与叠层电池技术相媲美,而其方法更为简单廉价,颇具实用性。正如步我们后尘进行相关研究的美国华盛顿大学Gamelin教授在Science(2019. 4. 22)的专评中所说:“For solar energy conversion, this combination of materials is almost exactly what you want”。正因为如此,钙钛矿研究领域的权威科学家斯坦福大学McGehee 教授评论说:“This is one of the most exciting results I’ve seen in a long time”。我个人认为,这样一种近乎完美的荧光转换材料与技术,如果被埋没在实验室里弃之不用是非常可惜的。我在这里呼吁这一研究要引起国内政府、资本和光伏产业界的重视,在多方共同努力下尽快将其推向产业化。如果不具备这样的战略眼光,虽然我们是原创,也会逐渐被美国超越 (Gamelin研究组从跟踪我们的结果到引起美国学界商界瞩目,再到获奖、获基金资助乃至注册公司,只用了短短1年半的时间)。如果说挑战,这就是我们当前所面临的最大挑战。当然,我们在产业化的道路上,还会面临如何解决材料稳定性,如何实现大规模、大面积和低成本制备等问题,但这些不过是前进道路中的一些踏脚石而已。

宋宏伟教授在学术会议上作学术报告

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《Light》特邀记者徐文: 您2020年首次在钙钛矿纳米晶中实现了稀土离子电致发光【Ref . 3】。您认为钙钛矿纳米晶中的稀土电致发光未来的前景如何,会在哪些行业领域脱颖而出?又会面临哪些困难?

宋宏伟:过去一直有观点认为,稀土离子不太适合被用于电致发光材料中。这其中最主要的原因是稀土离子的发光主要来自4f-4f跃迁,自发辐射速率小,发光寿命长。在电场作用下,由于注入的载流子与晶格间的不断碰撞,会导致材料的非辐射跃迁过程加剧,从而引起稀土离子的发光猝灭。2020年,我们以CsPbCl3:Sm3+量子点为发光层,采取一种反型结构,初步实现了钙钛矿中稀土离子Sm3+的电致发光,且其发光颜色可以由红光到白光进行有效调控。这一工作的直接结果是为量子点LED(QLED)照明与显示领域提供了新的通过掺杂获得不同颜色和稳定发光的思维。考虑到稀土离子具有丰富的跃迁,尤其是近红外与中红外区域的跃迁,如Er3+,Tm3+,Pr3+等,是钙钛矿本体材料所难以企及的,而这些发射波长恰好在光通讯窗口,如果能实现有效的电致发光,无疑会产生非常重要的应用价值。钙钛矿掺杂稀土材料的电致发光,目前还面临两大困难:第一个困难就是钙钛矿材料电致发光的共性问题——稳定性问题,尤其是解决在电场作用下的离子迁移所引起的器件失效问题,是一个巨大的挑战。第二个困难就是稀土离子特有的辐射跃迁速率低的问题。事实上我们来回顾一下比QLED发光发展更早的有机电致发光的发展历史,我们不难发现在早期工作中,稀土配合物和贵金属配合物材料的电致发光研究是并驾齐驱的,甚至稀土配合物电致发光更受青睐, 因为其发射谱线更窄,具有更高的显示色纯度。但是因为其辐射跃迁速率低的问题,使得其在发光效率、亮度等方面逐渐与贵金属配合物拉开了差距。在稀土掺杂钙钛矿材料的电致发光中,这一问题也是仍然存在且不容忽视的。那么如何解决这一问题呢?事实上,近10多年来表面等离子体物理与微腔结构设计制备等领域的研究取得了飞速的发展,我们可以借助这方面的成果,通过局域光场调控来提高稀土离子的辐射跃迁速率,从而解决其自身辐射跃迁速率低和电场作用下荧光猝灭的问题。

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《Light》特邀记者徐文: 您在2014年左右从稀土发光研究转到钙钛矿太阳能电池研究,短短几年间在相关领域发表了多篇重量级论文,尤其是在解决钙钛矿太阳能电池稳定性、光谱扩展方面做了大量的原创性工作【Ref. 4-6】。您认为通过掺杂、光谱转换和有机无机的异质结合等方法能为材料和器件带来哪些独特的优势?要实现实用化或产业化,还存在哪些研究限制或技术瓶颈?

宋宏伟:截止到2020年12月,经过认证的单结钙钛矿太阳能电池的最佳光电转换效率已经达到25.4%, 而钙钛矿与单晶硅叠层电池的效率已经超过了29%,取得了飞速的发展。现在,制约钙钛矿产业化的首要问题已经不是光电转换效率问题,而是钙钛矿电池的长时稳定性问题和制备与使用成本问题。因为钙钛矿材料在水、氧以及紫外光照等条件下存在严重的降解,使器件的使用寿命受到了很大的限制。今年的国家科技部重点专项计划支持了10000小时使用寿命的钙钛矿太阳能电池研究计划,可见解决使用寿命问题对于实际应用是多么的迫切和重要。以往我们在解决钙钛矿电池寿命问题方面的研究主要集中在如下3个方面:一是通过荧光转换的方法把太阳能谱中的紫外光转换成可见光,提高太阳能电池的光照稳定性,二是利用稀土离子和过渡金属掺杂等手段,提高钙钛矿材料的容忍因子与结构稳定性,三是在钙钛矿电池中通过载流子修饰层的设计引入输水结构,以提高器件的抗水性能。迄今为止,我们所报道的电池光电转换效率为22.16%,长时使用寿命可达到 5000小时。在提高钙钛矿电池光电转换效率的研究方面,我们一直致力于通过拓展其光谱响应范围到红外区域来实现这一目标,一种方法是利用荧光上转换将传统钙钛矿材料难于利用的红外光转换为可见光,再被钙钛矿电池利用,但是这种方法受上转换材料发光效率与吸收截面的限制,目前只能在聚光电池中得以实现。另外一种方法是在钙钛矿电池中,引入具有红外响应的有机异质结,拓展光谱响应范围。目前,我们可以将这种叠层电池的光谱范围拓展到950 nm, 光电转换效率做到21.55%。这虽然达到了目前p-i-n型电池研究的最好水平,但是受诸多因素的限制,还不是一个理想的结果。理想的结果至少要超过单结钙钛矿电池的效率。应该说,这种电池的理念是先进的,但是前进的路途之中还有很多问题需要解决。在未来,钙钛矿与有机异质结的叠层结构很有可能是除硅与钙钛矿叠层电池之外的另一种十分重要的叠层电池,因为其不仅可能突破钙钛矿单结电池的效率极限,还能在柔性与可穿戴器件等方面具有显著优势。

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《Light》记者郝振东: 宋老师,您多年来一直在研究局域光场调控上转换发光的工作,尤其是2020年您发表在《Light》的工作中【Ref. 7】利用级联效应使得稀土上转换发光提高了四个数量级;通过上转换纳米晶的核壳结构设计以及进一步与钙钛矿结合实现了多波长的窄带近红外探测;采用频率调制激发实现了波长的选择性探测等。这种设计和调控策略可以推广到其它稀土发光体系吗?您认为新型稀土发光与钙钛矿复合器件能为开发选择性窄带光电探测材料提供哪些新思路,带来哪些新机遇呢?

宋宏伟:稀土离子具有丰富的种类、丰富的能级、并产生了丰富的跃迁,从深紫外区域一直到中红外区域。事实上,利用稀土离子与钙钛矿等半导体光电材料的耦合,在光电探测方面可能产生很多意想不到的结果。比如,利用具有4f-5d跃迁的稀土离子如Ce3+,Pr3+以及Eu2+与钙钛矿等半导体材料在高能态的耦合,可以发展新的具有超强的日盲区深紫外探测能力乃至超强的高能射线探测能力的光电探测器或者高能闪烁体探测器;利用一些稀土离子丰富的红外跃迁以及其与一些新兴光电材料的耦合(如Er3+,Ho3+,Tm3+等),也可以研发出许多新型的特殊波段窄谱带红外光电探测器,在军事与国防领域产生重要应用。稀土是我国重要的战略资源,也是我们重要的研究宝库。随着传统研究领域的饱和及信息时代的来临,未来稀土研究与应用开发的重心,很有可能从传统的磁学、光学领域逐步转向光电领域。在此,希望我们青年一代的稀土研究者抓住机遇,走出固化思维,勇敢前行,向未知的领域进军。

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《Light》记者郝振东: 宋老师,您能结合您的研究经历向青年学者们分享一下如何才能成为一名优秀的研究者吗?

宋宏伟:这是一个仁者见仁、智者见智的问题。首先我要说,我是一个“跟着感觉走”的人,大学时的兴趣爱好是写诗和下棋,学习成绩中游而已,所以我觉得就自己的经历而言,未必对青年人具有普遍性的参考价值。在此我愿意分享几点精神层面的东西:人的一生是一个漫长的旅程,科学研究之路也是一样的。很多时候,我们走着走着,心就乱了,脚步也乱了。所以我说,要成为一名优秀的研究者,首要的就是要“坚持”:坚持学习新的知识,坚持一颗懵懂的好奇心。智利诗人聂鲁达说:“我永远在沙岸上行走,在泥土和泡沫的中间,虽然高潮会抹去我的脚迹,海浪也会把泡沫吹走,然而我的心,永远与海洋和沙岸同在。”我们研究者的心,就是要永远与科学同在。其次,作为一名优秀的研究者,要有十足的自信。我们的古人李白说:“天生我才必有用”,“仰天大笑出门去,我辈岂是蓬蒿人”。我们的诗人北岛说:“告诉你,世界,我不相信,纵使我的脚下有一千名挑战者,那我就做第一千零一个”。科学家牛顿说:“给我一个杠杆, 我将撬动整个地球”,希望我们的青年学者们,时刻相信自己,相信自己能够创造科学与技术的伟大奇迹。最后,大道无形,大音希声,一切自然之规律,皆是隐藏在黑暗与阴影之中的,犹如暗物质。所以作为一名优秀的研究者,还要张开思想的翅膀,正如戴望舒先生在诗中所写的:“我思想,故我是蝴蝶,万年后小花的轻呼,透过无梦无醒的云雾,来震撼我斑斓的羽翼”。

生活中的宋宏伟教授

特邀记者介绍

徐文,吉林大学电子科学与工程学院副教授, 博士生导师;2009年吉林大学本科毕业,2014年于吉林大学获得博士学位,2015-2016年南洋理工大学博士后,2016-2018东京工业大学JSPS博士后研究员。目前主要从事稀土掺杂纳米材料的发光调控及光电器件应用研究。承担国家自然科学基金和省部级项目多项,获吉林省自然科学一等奖,受邀在国际国内会议上做邀请报告20余次。以第一/通讯作者在Adv. Mater., Light: Sci & Appl., Nano Lett ., Angew. Chem., Nano Today, Adv. Funct. Mater., ACS Nano., Nano Energy等学术期刊发表SCI论文60篇,其中IF>10.0论文20余篇,总引用4000余次;申请/授权国家发明专利8项。

郝振东,博士,研究员,博导。2019年调任Light中心副总编、《发光学报》执行主编和《Light:Science & Applications》科学编辑,开始专职从事科技期刊编辑工作。拥有15年稀土发光材料与器件研究经历,作为项目负责人先后承担了国家自然科学基金4项、吉林省科技厅基金项目3项以及中科院院长优秀奖、中科院青年创新促进会、吉林省创新领军团队等多项人才项目。发表SCI论文120余篇,他引3200余次,H-index 30;授权国家发明专利20余件;曾获2010年度吉林省科技进步一等奖(排名第三)。

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