·缺陷調(diào)控是光電半導(dǎo)體的核心研究方向。通過(guò)摻雜等方式實(shí)現(xiàn)缺陷調(diào)控，可以改變光電材料的濃度、空間位置、能級(jí)位置等，展現(xiàn)豐富的光電性能，滿足不同場(chǎng)景需求。

·老一輩科學(xué)家樹(shù)立了榜樣，現(xiàn)在國(guó)家有需求，青年科學(xué)家也應(yīng)該站出來(lái)。國(guó)家對(duì)科研支持力度越來(lái)越大，要在國(guó)家需求中尋找感興趣的研究方向并全身心投入，主動(dòng)尋找切合實(shí)際的科研方向。

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任、研究員邵宇川在操作低溫探針臺(tái)。 本文圖片均由受訪者提供

性能優(yōu)異的光電半導(dǎo)體材料及器件在能源、信息、國(guó)防等重大領(lǐng)域起到支撐作用，作為光電半導(dǎo)體材料之一，鈣鈦礦因具有高效、輕薄、柔性、彩色等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于各類電子器件。目前，對(duì)于鈣鈦礦的缺陷調(diào)控已經(jīng)成為光電半導(dǎo)體領(lǐng)域的核心研究方向。“通過(guò)摻雜等方式實(shí)現(xiàn)缺陷調(diào)控，可以改變光電材料的濃度、空間位置、能級(jí)位置等，展現(xiàn)豐富的光電性能，滿足不同場(chǎng)景需求。”中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（下稱上海光機(jī)所）薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任、研究員邵宇川日前在接受澎湃新聞（www.6773257.com）專訪時(shí)介紹說(shuō)。

邵宇川長(zhǎng)期從事鈣鈦礦光電半導(dǎo)體及相關(guān)物理機(jī)制的研究，在器件性能提升、新結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)、界面工程等研究方向取得了一系列創(chuàng)新成果。今年8月，邵宇川憑借“光電半導(dǎo)體缺陷調(diào)控”這一研究項(xiàng)目入選“上海科技青年35人引領(lǐng)計(jì)劃”獲獎(jiǎng)名單。讓人意想不到的是，如今接任上海光機(jī)所光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室第五任主任的邵宇川還曾經(jīng)是一名專業(yè)的乒乓球運(yùn)動(dòng)員，也正是這段運(yùn)動(dòng)生涯牽引著他步入物理的世界。

鈣鈦礦缺陷調(diào)控的多項(xiàng)創(chuàng)新研究成果

鈣鈦礦是指一類陶瓷氧化物，鈣鈦礦復(fù)合氧化物具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，尤其經(jīng)摻雜后形成的晶體缺陷結(jié)構(gòu)和性能，或可被應(yīng)用在固體燃料電池、固體電解質(zhì)、傳感器、高溫加熱材料、固體電阻器及替代貴金屬的氧化還原催化劑等諸多領(lǐng)域。《科學(xué)》和《自然》雜志曾將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池評(píng)為2013年度十大突破。

長(zhǎng)期從事鈣鈦礦研究的邵宇川團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)鈣鈦礦缺陷調(diào)控的研究，在提升包括太陽(yáng)能電池等產(chǎn)品性能方面獲得了多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。

邵宇川及其合作者原創(chuàng)性地提出了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池能級(jí)新模型，新模型指出電荷傳輸層無(wú)序性（缺陷能級(jí)分布）對(duì)器件開(kāi)路電壓具有重大影響，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，有序分布缺陷能級(jí)，從而顯著提升電池效率。“以前研究人員覺(jué)得電荷傳輸層的寬窄分布對(duì)電池影響不大，但我們研究發(fā)現(xiàn)，如果能把電荷傳輸層的分布做得更窄，可以大大提高開(kāi)路電壓”，邵宇川介紹說(shuō)。

除了調(diào)整缺陷分布，如果人為在材料中增加缺陷，又會(huì)產(chǎn)生什么效果？2021年，邵宇川及其合作者首次實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦材料表面n型重?fù)诫s，得到高缺陷重?fù)诫s鈣鈦礦金屬態(tài)表面，材料由半導(dǎo)體態(tài)轉(zhuǎn)向金屬態(tài)，“雖然我們現(xiàn)在在鈣鈦礦內(nèi)部還是摻雜不進(jìn)去，但至少在表面我們可以實(shí)現(xiàn)重?fù)诫s。我們以此做了橫向同質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，效率得到提升。”

通過(guò)抑制缺陷，減少能量損失，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池大面積器件的光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在20%，目前全球最高紀(jì)錄是25%，“但光電轉(zhuǎn)換效率要穩(wěn)定超過(guò)20%，對(duì)缺陷調(diào)控要求很高，實(shí)驗(yàn)室里做到25%和產(chǎn)業(yè)化是不一樣的。”

通過(guò)抑制鈣鈦礦缺陷，還可以降低太陽(yáng)能電池的壽命衰減。十年前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的壽命只有5分鐘，目前各個(gè)課題組的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池壽命可達(dá)約1000小時(shí)，雖然這一結(jié)果距離電池使用壽命超過(guò)20年的目標(biāo)仍有差距。

此外，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池使用的透明導(dǎo)電電極占器件成本的2/3，邵宇川表示，未來(lái)將利用鈣鈦礦材料缺陷實(shí)現(xiàn)可控?fù)诫s，擺脫透明導(dǎo)電電極，降低電池成本。

在對(duì)鈣鈦礦缺陷調(diào)控的研究過(guò)程中，邵宇川及其合作者不僅發(fā)現(xiàn)了提升電池效率的方法，還開(kāi)辟了鈣鈦礦高能粒子探測(cè)的新方向。團(tuán)隊(duì)對(duì)鈣鈦礦本征光電特性進(jìn)行表征，在超低缺陷密度條件下，載流子擴(kuò)散距離大于3毫米，比此前學(xué)界的認(rèn)知大幅提高。載流子是可以自由移動(dòng)的帶有電荷的物質(zhì)微粒。“載流子能從器件中間到達(dá)器件兩邊的正負(fù)電極，載流子擴(kuò)散距離增大，器件就可以做得很厚，加上鈣鈦礦里有鉛有碘，對(duì)X射線的吸收能力很強(qiáng)，鈣鈦礦就可以用來(lái)做X射線探測(cè)器。”邵宇川表示，利用可控?fù)诫s提高X射線探測(cè)器靈敏度，可以降低檢測(cè)限，實(shí)現(xiàn)彩色CT，“如果X射線探測(cè)器能用上國(guó)產(chǎn)材料，儀器成本將大大降低。”

乒乓球運(yùn)動(dòng)員變身物理小天才

邵宇川被公認(rèn)為上海光機(jī)所最會(huì)打乒乓球的研究員，因?yàn)樗?jīng)是一名專業(yè)的乒乓球運(yùn)動(dòng)員。他9歲開(kāi)始練習(xí)乒乓球，初中打進(jìn)了安徽省隊(duì)，雖然不到兩年便選擇了退役，但這段乒乓球的訓(xùn)練生涯也是他對(duì)研究物理世界著魔的開(kāi)始。

“乒乓球發(fā)球時(shí)，運(yùn)動(dòng)員為了不讓對(duì)手通過(guò)發(fā)球手勢(shì)來(lái)判斷是上旋球還是下旋球，會(huì)用手遮擋球，但你如果觀察球在空中的運(yùn)動(dòng)軌跡也是能夠來(lái)判斷的，球不同的旋轉(zhuǎn)方向使得它在空中的飛行軌跡不同，你天天打乒乓球，就有感覺(jué)，下旋球飛得更飄，上旋球會(huì)往下栽。”邵宇川回憶小時(shí)候的打球經(jīng)歷說(shuō)。

從安徽省隊(duì)退役回到學(xué)校上課后，邵宇川驚訝地發(fā)現(xiàn)其實(shí)只需要一個(gè)簡(jiǎn)潔的伯努利方程就能解釋自己多年來(lái)觀察到的乒乓球旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。“伯努利方程的實(shí)質(zhì)是流體的機(jī)械能守恒，流速越大的地方壓強(qiáng)越小。乒乓球往前飛時(shí)旋轉(zhuǎn)，球的上半部分和下半部分氣流流速不同，上旋球有一個(gè)向下的作用力，所以飛行時(shí)軌跡偏下。”有了這個(gè)發(fā)現(xiàn)后，邵宇川對(duì)物理產(chǎn)生了濃厚的興趣，自主投入了更多時(shí)間。雖然之前因?yàn)橛?xùn)練耽誤了學(xué)業(yè)，但回到學(xué)校后，他很快便跟上了課程節(jié)奏，從高中開(kāi)始參加物理競(jìng)賽，并于2005年考入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系。

邵宇川參加乒乓球比賽。

本科畢業(yè)后，邵宇川進(jìn)入了上海光機(jī)所研究激光薄膜，2012年前往美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校攻讀博士，研究光電半導(dǎo)體，4年后在美國(guó)耶魯大學(xué)繼續(xù)從事光電半導(dǎo)體的博士后研究。

“與其想這想那，不如直接干”

剛到美國(guó)時(shí)，邵宇川并不確定自己是否適合科研這條路，與“科研大牛”相比，他覺(jué)得自己還有很大差距，但博士導(dǎo)師北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的黃勁松老師全身心專注投入科研的態(tài)度治愈了邵宇川的精神內(nèi)耗，也成了他的科研引路人。“與其想這想那，不如直接干，做的過(guò)程中就會(huì)發(fā)現(xiàn)樂(lè)趣。”

2015年，為了表征載流子的遷移率，邵宇川和師兄在研制對(duì)稱器件時(shí)發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池正負(fù)極反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。“一個(gè)電池做完以后，它的正負(fù)極還會(huì)反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，這是很不可思議的現(xiàn)象。”邵宇川感到詫異，一度以為自己做錯(cuò)了器件，但科研中一些不符合常理的現(xiàn)象或許就是一個(gè)轉(zhuǎn)折機(jī)會(huì)。基于電池正負(fù)極反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，邵宇川和師兄提出諸多猜想，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)排除，大約一年后，他們發(fā)現(xiàn)，電池正負(fù)極反轉(zhuǎn)是由于鈣鈦礦電池兩邊離子的不同摻雜導(dǎo)致的。他和師兄立馬發(fā)表論文，第一次在鈣鈦礦里發(fā)現(xiàn)了離子移動(dòng)。“之前大家都以為鈣鈦礦不穩(wěn)定是受到了水、氧氣、高溫等外部影響，但新研究表明要實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦的穩(wěn)定性就需要抑制內(nèi)部的離子運(yùn)動(dòng)。”

敢于質(zhì)疑和探索實(shí)驗(yàn)中的異常現(xiàn)象，一旦打開(kāi)了研究領(lǐng)域，邵宇川的研究勢(shì)如破竹，發(fā)表了一系列科研成果。博士后出站，他進(jìn)入美國(guó)蘋(píng)果公司擔(dān)任高級(jí)工程師，研發(fā)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的Face ID（刷臉認(rèn)證方式）。項(xiàng)目結(jié)束后，2019年邵宇川回到母校上海光機(jī)所，為國(guó)家需求做科研，2020年底接棒上海光機(jī)所光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室主任。

科研工作者需要為國(guó)家需求服務(wù)

在興趣驅(qū)動(dòng)下，邵宇川在自己的研究領(lǐng)域已經(jīng)取得不少成就，但在接任光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室主任后，他毅然挑起攻關(guān)激光薄膜前沿研究的擔(dān)子，把更多精力轉(zhuǎn)移到服務(wù)國(guó)家的需求上來(lái)。

上海光機(jī)所光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)歷史最悠久、技術(shù)積淀最深厚的光學(xué)元器件優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)室之一，已走過(guò)50多年歲月，開(kāi)拓了我國(guó)激光薄膜事業(yè)，幾代“薄膜”人突破一系列“卡脖子”難題，持續(xù)開(kāi)展我國(guó)慣性約束聚變領(lǐng)域的光學(xué)材料、光學(xué)加工以及檢測(cè)技術(shù)相關(guān)的攻關(guān)工作。

近年來(lái)，光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室在高性能激光薄膜元件的制備技術(shù)方面取得了重大突破，為我國(guó)神光系列高功率激光裝置、超強(qiáng)超短激光裝置等系統(tǒng)提供了大量高性能核心激光薄膜元件，為多項(xiàng)空間激光器型號(hào)任務(wù)提供了高性能空間激光薄膜。

“實(shí)驗(yàn)室的研究方向一直是為國(guó)家需求服務(wù)，我們要把傳統(tǒng)延續(xù)下去，除了守住激光薄膜，也要拓展研究方向。”邵宇川說(shuō)，“十四五”期間，實(shí)驗(yàn)室將著力拓展激光薄膜調(diào)制波長(zhǎng)范圍，包括短波長(zhǎng)薄膜和中紅外激光薄膜。

“老一輩科學(xué)家樹(shù)立了很好的榜樣，現(xiàn)在國(guó)家有需求，青年科學(xué)家也應(yīng)該站出來(lái)。”如今35歲的邵宇川是光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室第五任主任，白天忙活薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，拓展激光薄膜研究，晚上管理自己的科研小課題組，攻關(guān)鈣鈦礦缺陷調(diào)控，白發(fā)早已爬上頭。

他在科研中兼顧國(guó)家需求和個(gè)人興趣，“科學(xué)的每一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域都有各自優(yōu)美之處，只有深入研究才能發(fā)現(xiàn)更多有意思的地方。”邵宇川認(rèn)為，國(guó)家對(duì)科研支持力度越來(lái)越大，要在國(guó)家需求中尋找感興趣的研究方向并全身心投入，同時(shí)主動(dòng)尋找切合實(shí)際的科研方向，有時(shí)候在實(shí)驗(yàn)室里拍腦袋想出來(lái)的研究方向和實(shí)際痛點(diǎn)并不一致，只有和需求方經(jīng)過(guò)思想碰撞后才會(huì)知道實(shí)際應(yīng)用的痛點(diǎn)，調(diào)整研究方向，真正滿足國(guó)家需求。

（編者注：本文系澎湃科技與上海科技聯(lián)合推出的“正自廣闊：上海科技青年35人引領(lǐng)計(jì)劃追光報(bào)道”系列之一。敬請(qǐng)垂注更多后續(xù)報(bào)道。）