·缺陷調控是光電半導體的核心研究方向。通過摻雜等方式實現缺陷調控，可以改變光電材料的濃度、空間位置、能級位置等，展現豐富的光電性能，滿足不同場景需求。

·老一輩科學家樹立了榜樣，現在國家有需求，青年科學家也應該站出來。國家對科研支持力度越來越大，要在國家需求中尋找感興趣的研究方向并全身心投入，主動尋找切合實際的科研方向。

中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室主任、研究員邵宇川在操作低溫探針臺。 本文圖片均由受訪者提供

性能優異的光電半導體材料及器件在能源、信息、國防等重大領域起到支撐作用，作為光電半導體材料之一，鈣鈦礦因具有高效、輕薄、柔性、彩色等特點，被廣泛運用于各類電子器件。目前，對于鈣鈦礦的缺陷調控已經成為光電半導體領域的核心研究方向。“通過摻雜等方式實現缺陷調控，可以改變光電材料的濃度、空間位置、能級位置等，展現豐富的光電性能，滿足不同場景需求。”中國科學院上海光學精密機械研究所（下稱上海光機所）薄膜光學實驗室主任、研究員邵宇川日前在接受澎湃新聞（www.6773257.com）專訪時介紹說。

邵宇川長期從事鈣鈦礦光電半導體及相關物理機制的研究，在器件性能提升、新結構開發、界面工程等研究方向取得了一系列創新成果。今年8月，邵宇川憑借“光電半導體缺陷調控”這一研究項目入選“上海科技青年35人引領計劃”獲獎名單。讓人意想不到的是，如今接任上海光機所光學薄膜實驗室第五任主任的邵宇川還曾經是一名專業的乒乓球運動員，也正是這段運動生涯牽引著他步入物理的世界。

鈣鈦礦缺陷調控的多項創新研究成果

鈣鈦礦是指一類陶瓷氧化物，鈣鈦礦復合氧化物具有獨特的晶體結構，尤其經摻雜后形成的晶體缺陷結構和性能，或可被應用在固體燃料電池、固體電解質、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域。《科學》和《自然》雜志曾將鈣鈦礦太陽能電池評為2013年度十大突破。

長期從事鈣鈦礦研究的邵宇川團隊通過對鈣鈦礦缺陷調控的研究，在提升包括太陽能電池等產品性能方面獲得了多項發現。

邵宇川及其合作者原創性地提出了鈣鈦礦太陽能電池能級新模型，新模型指出電荷傳輸層無序性（缺陷能級分布）對器件開路電壓具有重大影響，通過優化設計方向，有序分布缺陷能級，從而顯著提升電池效率。“以前研究人員覺得電荷傳輸層的寬窄分布對電池影響不大，但我們研究發現，如果能把電荷傳輸層的分布做得更窄，可以大大提高開路電壓”，邵宇川介紹說。

除了調整缺陷分布，如果人為在材料中增加缺陷，又會產生什么效果？2021年，邵宇川及其合作者首次實現鈣鈦礦材料表面n型重摻雜，得到高缺陷重摻雜鈣鈦礦金屬態表面，材料由半導體態轉向金屬態，“雖然我們現在在鈣鈦礦內部還是摻雜不進去，但至少在表面我們可以實現重摻雜。我們以此做了橫向同質結鈣鈦礦太陽能電池，效率得到提升。”

通過抑制缺陷，減少能量損失，實現了鈣鈦礦太陽能電池大面積器件的光電轉換效率穩定在20%，目前全球最高紀錄是25%，“但光電轉換效率要穩定超過20%，對缺陷調控要求很高，實驗室里做到25%和產業化是不一樣的。”

通過抑制鈣鈦礦缺陷，還可以降低太陽能電池的壽命衰減。十年前，鈣鈦礦太陽能電池的壽命只有5分鐘，目前各個課題組的鈣鈦礦太陽能電池壽命可達約1000小時，雖然這一結果距離電池使用壽命超過20年的目標仍有差距。

此外，鈣鈦礦太陽能電池使用的透明導電電極占器件成本的2/3，邵宇川表示，未來將利用鈣鈦礦材料缺陷實現可控摻雜，擺脫透明導電電極，降低電池成本。

在對鈣鈦礦缺陷調控的研究過程中，邵宇川及其合作者不僅發現了提升電池效率的方法，還開辟了鈣鈦礦高能粒子探測的新方向。團隊對鈣鈦礦本征光電特性進行表征，在超低缺陷密度條件下，載流子擴散距離大于3毫米，比此前學界的認知大幅提高。載流子是可以自由移動的帶有電荷的物質微粒。“載流子能從器件中間到達器件兩邊的正負電極，載流子擴散距離增大，器件就可以做得很厚，加上鈣鈦礦里有鉛有碘，對X射線的吸收能力很強，鈣鈦礦就可以用來做X射線探測器。”邵宇川表示，利用可控摻雜提高X射線探測器靈敏度，可以降低檢測限，實現彩色CT，“如果X射線探測器能用上國產材料，儀器成本將大大降低。”

乒乓球運動員變身物理小天才

邵宇川被公認為上海光機所最會打乒乓球的研究員，因為他曾經是一名專業的乒乓球運動員。他9歲開始練習乒乓球，初中打進了安徽省隊，雖然不到兩年便選擇了退役，但這段乒乓球的訓練生涯也是他對研究物理世界著魔的開始。

“乒乓球發球時，運動員為了不讓對手通過發球手勢來判斷是上旋球還是下旋球，會用手遮擋球，但你如果觀察球在空中的運動軌跡也是能夠來判斷的，球不同的旋轉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，下旋球飛得更飄，上旋球會往下栽。”邵宇川回憶小時候的打球經歷說。

從安徽省隊退役回到學校上課后，邵宇川驚訝地發現其實只需要一個簡潔的伯努利方程就能解釋自己多年來觀察到的乒乓球旋轉現象。“伯努利方程的實質是流體的機械能守恒，流速越大的地方壓強越小。乒乓球往前飛時旋轉，球的上半部分和下半部分氣流流速不同，上旋球有一個向下的作用力，所以飛行時軌跡偏下。”有了這個發現后，邵宇川對物理產生了濃厚的興趣，自主投入了更多時間。雖然之前因為訓練耽誤了學業，但回到學校后，他很快便跟上了課程節奏，從高中開始參加物理競賽，并于2005年考入中國科學技術大學物理系。

邵宇川參加乒乓球比賽。

本科畢業后，邵宇川進入了上海光機所研究激光薄膜，2012年前往美國內布拉斯加大學林肯分校攻讀博士，研究光電半導體，4年后在美國耶魯大學繼續從事光電半導體的博士后研究。

“與其想這想那，不如直接干”

剛到美國時，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，他覺得自己還有很大差距，但博士導師北卡羅來納大學教堂山分校的黃勁松老師全身心專注投入科研的態度治愈了邵宇川的精神內耗，也成了他的科研引路人。“與其想這想那，不如直接干，做的過程中就會發現樂趣。”

2015年，為了表征載流子的遷移率，邵宇川和師兄在研制對稱器件時發現了鈣鈦礦太陽能電池正負極反轉現象。“一個電池做完以后，它的正負極還會反轉過來，這是很不可思議的現象。”邵宇川感到詫異，一度以為自己做錯了器件，但科研中一些不符合常理的現象或許就是一個轉折機會。基于電池正負極反轉的實驗現象，邵宇川和師兄提出諸多猜想，再通過實驗排除，大約一年后，他們發現，電池正負極反轉是由于鈣鈦礦電池兩邊離子的不同摻雜導致的。他和師兄立馬發表論文，第一次在鈣鈦礦里發現了離子移動。“之前大家都以為鈣鈦礦不穩定是受到了水、氧氣、高溫等外部影響，但新研究表明要實現鈣鈦礦的穩定性就需要抑制內部的離子運動。”

敢于質疑和探索實驗中的異常現象，一旦打開了研究領域，邵宇川的研究勢如破竹，發表了一系列科研成果。博士后出站，他進入美國蘋果公司擔任高級工程師，研發光電信號轉換的Face ID（刷臉認證方式）。項目結束后，2019年邵宇川回到母校上海光機所，為國家需求做科研，2020年底接棒上海光機所光學薄膜實驗室主任。

科研工作者需要為國家需求服務

在興趣驅動下，邵宇川在自己的研究領域已經取得不少成就，但在接任光學薄膜實驗室主任后，他毅然挑起攻關激光薄膜前沿研究的擔子，把更多精力轉移到服務國家的需求上來。

上海光機所光學薄膜實驗室是我國歷史最悠久、技術積淀最深厚的光學元器件優勢實驗室之一，已走過50多年歲月，開拓了我國激光薄膜事業，幾代“薄膜”人突破一系列“卡脖子”難題，持續開展我國慣性約束聚變領域的光學材料、光學加工以及檢測技術相關的攻關工作。

近年來，光學薄膜實驗室在高性能激光薄膜元件的制備技術方面取得了重大突破，為我國神光系列高功率激光裝置、超強超短激光裝置等系統提供了大量高性能核心激光薄膜元件，為多項空間激光器型號任務提供了高性能空間激光薄膜。

“實驗室的研究方向一直是為國家需求服務，我們要把傳統延續下去，除了守住激光薄膜，也要拓展研究方向。”邵宇川說，“十四五”期間，實驗室將著力拓展激光薄膜調制波長范圍，包括短波長薄膜和中紅外激光薄膜。

“老一輩科學家樹立了很好的榜樣，現在國家有需求，青年科學家也應該站出來。”如今35歲的邵宇川是光學薄膜實驗室第五任主任，白天忙活薄膜光學實驗室，拓展激光薄膜研究，晚上管理自己的科研小課題組，攻關鈣鈦礦缺陷調控，白發早已爬上頭。

他在科研中兼顧國家需求和個人興趣，“科學的每一個細分領域都有各自優美之處，只有深入研究才能發現更多有意思的地方。”邵宇川認為，國家對科研支持力度越來越大，要在國家需求中尋找感興趣的研究方向并全身心投入，同時主動尋找切合實際的科研方向，有時候在實驗室里拍腦袋想出來的研究方向和實際痛點并不一致，只有和需求方經過思想碰撞后才會知道實際應用的痛點，調整研究方向，真正滿足國家需求。

（編者注：本文系澎湃科技與上海科技聯合推出的“正自廣闊：上海科技青年35人引領計劃追光報道”系列之一。敬請垂注更多后續報道。）