名师访谈｜看曾海波教授在发光材料与发光器件上有着怎样的思考与收获？

曾海波，新型显示材料与器件工信部重点实验室主任，南京理工大学纳米光电材料研究所所长、教授、博士生导师，国际信息显示学会北京分会发光显示技术委员会委员，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事，Nanotechnology、Current Applied Physics、Materials Research Letters、Science Bulletine等期刊编委。2012年获批首届国家优秀青年基金，2013年创建南理工光电所并共同获得安徽省科学技术奖一等奖，2014年获得霍英东教育基金会优秀青年教师奖，2015年入选“国家万人计划”青年拔尖人才，2016年创建新型显示材料与器件工信部重点实验室并入选“长江学者奖励计划”青年学者，2017年入选“国家创新人才推进计划”中青年滚球体育 创新领军人才。

2003年以来从事新型显示发光与发光器件研究，近期聚焦于本课题组与国际同行共同发起的两个新方向：锑烯等二维晶体的原子设计与原子制造、全无机钙钛矿低维半导体光电子学。已发表SCI论文180余篇，引用7000余次，ESI高被引论文20余篇，H因子45。2013年创建南理工光电所以来，发表通讯作者论文100余篇，其中发表在Nature Comm.、Advanced Materials、Nano Letters、Angew. Chem.等影响因子10以上期刊35篇，8篇入选ESI高被引论文，3篇入选ESI热点论文，获得Nature等刊物与学术媒体亮点评论20余次。

在长期的科研过程中，曾海波教授与他的团队在照明、显示与传感新材料及器件方向上可谓收获颇丰。近日，材料人网有幸为广大读者采访到曾海波教授，近距离了解他与他的团队在科研与行业中的经历、收获与感悟。

材料人：您是学理论出身的，当初是如何想到做照明、显示与传感新材料及器件这个方向的呢？

曾海波教授：这是我对相关领域发展历史与趋势、社会与国家需求、个人兴趣与能力三方面不断思考不断调整的结果。

本科的时候，我对物理比较感兴趣，喜欢在图书馆看关于爱因斯坦和霍金的书，包括各个版本的传记和较浅的研究类读物，对其中严密的思维逻辑和物质世界本源的探索精神深深着迷。

沿着自己的感觉，硕士做的是量子引力课题，拿的是应用数学学位，具体而言就是用拓扑几何学等数学方法对“相对论的量子化”这一问题进行模型研究，慢慢地遇到了一个困惑：基本上没有实验检验的可能性，也难以触及当今人类的物质生活。这时，有幸读了我国半导体先驱黄昆先生的传记《黄昆(声子物理第一人)》，除了认识到半导体是当前社会信息化的最重要材料载体，另有一句话对我触动很大“作为一个滚球体育 工作者，并不是说知识学得越多越好，学得越深越好，关键还是在于你驾驭知识的本事”，这让我慢慢地定下了从事纳米半导体学习和研究的决心。

随后，在中科院固体物理研究所蔡伟平研究员、张立德研究员、孟国文研究员等老师们的指导下，受到了从事纳米材料研究所需的科研素养的规范训练，走上了纳米半导体发光研究的道路。在日本国家材料研究所工作器件，尽管课题组没有发光研究的条件，我仍然选择了相关联的原子级超薄半导体制备与电学性质的研究课题。

2011年底我从日本回国，这是个关键点，选择“发光显示低维半导体及器件”为整个团队的研究方向主要是基于以下考虑。

一方面，正如上面所言，发光研究正是我的兴趣所在，只是具体的研究导向和研究内容需要谨慎地从头规划。另一方面，最重要的是意识到当前正处在显示产业革命的关键时期，意识到这一领域存在社会与国家的重大需求，意识到这或许是我也是我们团队的绝佳发展机会。上一轮从“电子管显示”到“液晶显示”的行业革命中国错失了机会，这一轮正在进行的从“液晶显示”到“柔性高清显示”的行业革命中国已经不再是旁观者，因为我国在经济、产业、人才等方面已经有了雄厚的基础，至于能否领跑则取决于产学研各界同仁的创新创业成效。

身处这个显示行业变革的伟大时代，是我及我们团队的幸运，确立“新型显示发光材料与发光器件”研究主题是极其自然的选择。此外，从黄先生“驾驭知识”的论断出发，鉴于我个人在物理与材料、理论与实验方面的交叉背景，就为我们团队确立了“理论与实验相结合”、“材料-光电性能-发光器件”的研究范式。

所幸的是，五年多走下来，以上初衷在团队组建、平台搭建、具体课题研究等方面得到了初步的实现，2013年创建了南京理工大学纳米光电材料研究所，2016年获批为新型显示材料与器件工业和信息化部重点实验室。

材料人：请您简单介绍一下您课题组目前的科研工作和发展情况？

曾海波教授：在确定了“面向柔性高清显示的新型发光材料与发光器件”研究主题后，我们选择了两条研究思路。

一方面，基于“至薄至柔”的思想，希望从理论上设计出并在实验上制备出原子级超薄二维发光体，2014年发起了锑烯二维晶体，随后不断有国际同行加入，但目前整体上仍然处于非常基础的探索阶段，基本上是属于“仰望星空”的基础研究，这就产生了我们团队目前的“锑烯等二维晶体的原子设计与原子制造”研究方向。

另一方面，在业内已有的量子点“印刷致柔”思想基础上，针对量子点发光显示的“无镉化”和“更高清”关键需求，力图发展具有更高发光品质的量子点新体系及其发光器件，2015年率先发了全无机钙钛矿LED发光器件后，由于新型显示应用的重要性已经成为了前沿研究热点，吸引了大量的研究人员，但是在将来真正走向显示产业应用前仍需解决若干关键问题，这样就产生了我们“全无机钙钛矿半导体光电子学”这个比较脚踏实地的应用基础研究方向。

2013年创建南理工光电所以来，实验室已初步组建了聚焦光电材料且理论实验结合的团队、完备且特色鲜明的计算模拟-材料制备-器件加工-光电测试的专业研究平台，已在Nature Comm.、Advanced Materials、Nano Letters、Angew. Chem.等IF>10期刊发表论文35篇，主要研究进展有以下两方面。

一、锑烯等二维晶体的原子设计与原子制造：

2014年(投稿时间)，在国际上率先理论提出了锑烯、砷烯等第五族二维晶体的原子结构模型，并预测了该体系的电子结构转变与热力学高稳定性等关键特征，发表在Angew. Chem. In. Ed. 2015, 54, 3112上，被Nature亮点报道为“新型二维光电材料”，至今已被引用158次，成为了ESI热点论文；

2016年，在国际上首先实现了超薄锑烯的范德瓦尔斯外延生长，从实验上检验了理论所预测的稳定ß相结构与环境氛围高稳定性，发表在Nature Communications 2016, 7, 13352上。

值得注意的是，基本上与此同期，中科员物理所高鸿钧院士与王业亮课题组、西班牙马德里自治大学Félix Zamora教授课题组等也制备了超薄甚至单层锑烯，并检验了高稳定性。

左图：锑烯理论模型；右图：实验所得锑烯

二、全无机钙钛矿半导体光电子学：

2015年，在国际上率先基于溶液工艺构建了全无机钙钛矿红绿蓝LED发光器件，观察到半高宽窄至25 nm的超纯三基色电致发光、130%NTSC广色域显示优势，指明了这一半导体新体系的柔性高清显示应用前景，发表在Advanced Materials 2015, 27, 7162上，被Nature Nanotech.评论为“首次(first)”、“开启了(opened)该体系LED”，至今已被引用135次，成为ESI热点论文，入选了“2015年工程技术领域中国作者发表的高被引研究论文Top 10”。

2016年，发展了全无机钙钛矿量子点表面配体调控的“混合溶剂提纯法”，实现了发光墨水高稳定性、发光膜高均匀性、高光致发光效率、有效电荷注入等四个要素的共存，从而将该体系绿光LED的效率提高了50倍，创造了这一新半导体体系LED发光效率的最高记录，发表在Advanced Materials 2016, DOI: 10.1002/adma.201603885。

全无机钙钛矿发光量子点、发光薄膜、LED发光器件

三、2016年其他主要工作进展：

刚刚过去的2016年是我们“新型显示材料团队”成长较快的一年，除了以上两个发表在Nature Communications、Advanced Materials上的两个工作，我们团队围绕“二维锑烯原子设计与原子制造”、“全无机钙钛矿光电子学”还取得了一些其他进展，简要介绍10个工作如下：

1.合成了单层厚度的全无机钙钛矿纳米片，采用印刷工艺制备了大面积高质量光电薄膜，相应柔性光探测器的开关比达到10^4，光响应上升和下降时间分别为19 μs和25 μs，经过10000次弯折后光电流波动小于3%，充分展现了其二维结构和高稳定墨水等特点在未来二维钙钛矿柔性光电器件中的优势，发表在Advanced Materials 2016, 28, 4861-4869。

2.发展了高效高纯发光全无机钙钛矿量子点的室温析晶合成方法，打破了传统量子点合成方法需要加热、惰性气体、复杂注入等条件的限制；提出该体系发光优越的起源为高激子结合能、卤素表面自钝化、类量子阱能带结构三者协同效应；构建了相应的背光LED发光器件，证实了其广色域显示与健康照明应用前景。发表在Advanced Functional Materials 2016, 26, 2435-2445。

3.发现了全无机钙钛矿晶体颗粒的“可逆表面溶解与再结晶”行为，并将其发展成为有效抑制薄膜孔洞与界面缺陷的室温修复方法，经修复后的光探测器响应度与灵敏度均获得了7倍以上的提高，该方法对全无机钙钛矿各种光电子器件中薄膜质量提高这一关键环节有一定意义。发表在Advanced Functional Materials 2016, 26 (32), 5903-5912。

4.与南洋理工大学王跃博士、孙汉东教授等合作，发现了全无机钙钛矿在激光照射下由二维原子片层到三维体相的可控结构转变行为，以及相应发光演变过程的强量子效应。发表在Advanced Materials 2016, 28, 10637–10643。

5.发现全无机钙钛矿量子点的双光子吸收截面高达10^5 GM，因此可以用红外光源低阈值上转换地激发出波长可调的可见区激光。发表在Nano Letters 2016, 16 (1), 448。

6.通过计算模拟与理论分析系统研究了砷烯与锑烯等第五主族二维材料的电子结构与光电特征，预测了它们从红外到可见波段的宽光谱光学带隙，及α相砷烯与石墨烯相当的超高迁移率。发表在Angew. Chem. In. Ed. 2016, 55, 1666。

7.与南理工阚二军教授等合作，通过计算模拟与理论分析发现二维黑磷纳米带在外电场作用下具有面内铁电性，其极化强度能够与传统钙钛矿铁电材料相当。发表在Nano Letters, 2016, 16(12), 8015-8020。

8.通过计算模拟与理论分析提出α相单层磷化砷是潜在的高效激子型太阳能电池施主材料，具有覆盖太阳光谱的直接带隙，电子迁移率高达14,380 cm2V-1s-1，α-AsP/GaN的最大功率转换效率可达到22.1%。发表在Nano Energy 2016, 28, 433-439。

9.通过模拟与实验发现二维半金属硫化钛具有较强的局域等离子体共振吸收的本征特性，不需要进行结构调控与复杂掺杂即可位于应用所需的红外窗口波段，能够诱导50℃的光热升温，能够数倍提升通讯波段光探测器的响应度。发表在Advanced Functional Materials 2016, 26, 1793-1802。

10.通过表面化学修饰电荷注入实现了二维黑磷的区域选择性P型掺杂，构筑了响应度达到180mA/W的PN结型二维光探测器。发表在Nano Energy 2016, 25, 34-41。

材料人：您觉得您现在的研究成果在推向市场过程中有什么困难吗？如果有您觉的应该如何克服？

曾海波教授：我觉得在成果转化机制和个人专长方面存在限制，不利于现有研究成果向市场的推广。

比如我们在高效发光钙钛矿量子点方面取得了一些先机，尤其是低成本室温合成工艺等方面是非常符合当前量子点显示市场需要的，先后有不少公司前来洽谈成果转化合作，有的还在进行中，更多的是不了了之了。一方面，有的公司一上来就提出了一个非常宏大的规划，但是本身并没有太多的研发实力，我个人觉得财力基础仅仅是转化成功的一个条件而不是全部。另一方面，也有时候会在股权结构的投资方、学校、个人方面陷入僵局。此外，这个领域仍然处于快速爆发的初期，往将来真正应用走的很多方案与专利仍未定性，可能也是一个因素。最后，我个人与团队在这方面并没有基础，能力有限，估计是主要原因。但是，我相信量子点发光材料与发光器件的新型显示产业化最终肯定会在中国大地上开花结果，是不是我们来做并不重要。

材料人：您觉得您未来发展的侧重点会放在哪个或哪些方向上？

曾海波教授：未来我们将聚焦到全无机钙钛矿发光器件的关键品质提升上，尤其是电致发光效率与亮度、与显示器清晰度相关的电致发光单色性、器件的印刷化与稳定性、该体系材料的无铅化等等。此外，我们也将着力研究锑烯和全无机钙钛矿两类材料的基本物理及光电子学内涵，包括他们的表面修饰及掺杂、载流子与激子的二维特性等等。这两个领域，在最近两三年经历了跑马圈地式的“发现”，现在已经到了需要精耕细作的攻坚阶段，才有利于将来真正应用于新型显示产业。

材料人：您的科研经历非常丰富，看到您曾在固体所、德国卡尔斯鲁厄大学、日本国家材料科学研究所工作过，您觉得给您留下印象最深的是哪个地方？

曾海波教授：印象最深的永远是“科学岛”。

那是一个最美的地方，合肥市闹中取静的湖心岛，满岛绿树繁花，镶嵌其间的是若干个研究所和我国大科学工程，曲径通幽处更是我的研究事业开端的地方——中科院固体物理所，在那里我的老师们数十年如一日严谨扎实地做着研究，正如这低调而内秀的科学岛。

材料人：在科研学术方面，您对团队、学生和青年教师有什么要求和期望？

曾海波教授：希望我们团队成员对科学既有梦想，又有实干精神，还有开眼看世界的视野，这样他们才走得远，我们团队才能繁荣。

材料人：您在材料人多次投稿，您觉得材料人这个平台可以在那些方面做的更好？

曾海波教授：短短几年，材料人已经声名鹊起，为材料领域的科研及产业工作者提供了一个非常专业的务实的信息交流平台。未来，如能在若干关键材料主题上将信息进行归类，并集中发布，将能产生更大的影响。

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