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封面人物|狄大卫:点亮新一代光源

发布时间:2021-02-25来源:澳门游戏娱乐新闻办作者:柯溢能0

在暖和的春光中往返于校区之间,搭建半导体光电器件前沿基础与应用研究的桥梁,这是澳门官方游戏平台光电科学与工程学院“百人计划”研究员狄大卫的近期工作日常。

此前,狄大卫与合作者们在新型电致发光器件领域的基础研究,产生了多项具有重要意义的成果,他因此先后入选2019年《麻省理工科技评论》全球“35岁以下科技创新352020年“世界顶尖科学家论坛青年科学家”与浙江省“鲲鹏行动”计划首批专家等。

今年36岁的狄大卫,沉浸在探索前沿的乐趣中,带领团队继续在发光器件领域实现新的突破。

 

探索极限与突破极限

人类对光的追求是一个永恒的话题,如果说白炽灯照亮了20世纪,那么发光二极管(LED)则点亮了21世纪。作为LED家族的重要一员,有机发光二极管(OLED)掀起了新的技术革命。

OLED具有超轻超薄、发光效率高、适用于曲面与柔性设备等特点,已被广泛应用于高清电视和智能手机等高端电子设备中。在目前的OLED材料中,基于稀有金属铱的磷光材料性能最为优越。然而由于受到发光机制的影响,在高亮度下的效率还是受到了限制。此外,这类OLED材料普遍成本高昂,制备过程也存在潜在的毒性。尽管如此,其他替代材料仍无法提供与之媲美的发光性能。另一方面,OLED制备中所用到的真空蒸镀方法,其成本与能耗较高,但更低成本的溶液制备方法,无法实现类似的效率。因此,寻找更好的替代方案,一直是研究人员努力探索的方向。

“发光效率也有极限,这就好像是压在我们头顶的‘五指山’,要实现突破就要在新的框架开展研究。”狄大卫谈到自己的研究,哈哈笑了起来。

2016年,当时正在英国剑桥大学物理系攻读博士的狄大卫与合作者发现了一系列新型卡宾金属发光分子。这些材料基于金、银、铜等常见金属,不仅成本较低、环境友好且合成简单。由于其分子构型特殊,其中暗能态与亮能态之间的能量差降为零,因此发光速率大幅增加。他们基于这种分子设计了溶液法的OLED,器件发光的外量子效率高达27.5%,创造了低成本溶液法LED效率的世界纪录,达到与真空蒸镀OLED类似的水平。

这项基于新型有机发光分子的高效率OLED研究,被学术界认为具有里程碑式的意义。这些卡宾金属分子使得OLED在高亮度状态下效率更高,有望替代目前的铱基发光材料,并使溶液法OLED的技术前景更为广阔。

高效率卡宾金属发光分子的发现,既是偶然也是也必然。当时与团队合作的化学家们合成了许多材料,请狄大卫做一些简单检测。但他却非常认真地分析其中的发光机制,并在各种实验中探寻规律。他很享受实验的过程,“从01自由探索的过程,追随的是自己的内心,就好像在沙滩上随意捡贝壳。”

通过钙钛矿与聚合物的结合,大幅提高世界上最年轻的发光技术—钙钛矿LED的效率,正是狄大卫与现已加入澳门官方游戏平台的赵保丹研究员在剑桥合作实现的,他们将钙钛矿LED电致发光外量子效率提升到20%,内量子效率接近100%,在当时创造了一个纪录。

“狄老师的脑子每天都能迸发出新的观点,我的导师就曾打趣地对他说,‘天才与狂人往往只有一线之隔’。”赵保丹说,“对科研纯粹的喜爱驱使他去思考,也会感染和带动身边的人。”

 

两个博士学位

狄大卫对科研的喜爱,还表现在他一口气攻读了两个博士学位。

“很多人说我的两个研究方向正好相反,一个将光能转化成电能,一个将电能转化成光能。其实二者的共同点,是通过半导体器件实现光电转换,理论上是两个互逆的过程。”他说。

2011年,正在澳大利亚新南威尔士大学研究第三代太阳能电池的狄大卫,偶然间发现量子点硅太阳能电池在有电流通过时发出了红色的光。经典教科书中早已揭示,作为间接带隙半导体的硅,通常是不会发光的。亮起来的硅太阳能电池,说明简单的量子调控可以使半导体材料的光电特性完全改变,这个实验观察令他异常振奋。

这一道光,激发起了他对发光二极管的浓厚兴趣,也因此步入了一个新的研究世界。“科研的魅力来自于对未知世界的探索,好奇心是保持这份热情的源泉。”完成了工程学博士的学业,狄大卫又向英国剑桥大学卡文迪许实验室提交了物理学博士的入学申请。

导师建议狄大卫直接从事博士后研究,但狄大卫婉言谢绝了,他选择再次从学生做起。“我想在一个新的研究方向接受系统的学术训练,作为博士生,虽然生活待遇会比博后差很多,但拥有了更多的学习和自由探索的时间,也会更加允许失败。”

也正是因为如此,无论是最初的OLED课题还是后来接触的钙钛矿LED研究,狄大卫都是抱着“好玩”的心态去尝试的。卡文迪许实验室的同事们开发的钙钛矿LED原型器件,最初只能亮两三秒,狄大卫当时看后心想这大概只能做个闪光灯。由于他在高效率OLED方向积累了宝贵的研究经验,因此对于后续提升钙钛矿LED效率,以及对其发光机制的研究,都有着清晰的思路。

外量子效率是衡量LED性能的主要指标之一。将OLED的外量子效率提高到20%以上,整个领域用了20多年;而钙钛矿LED的外量子效率从小于1%到超过20%,在领域同行的共同努力下,只用了4年。

狄大卫说,做研究就好像玩游戏,不仅是追求通关,而是要尽量达到“完美”。“要去寻找那些隐藏的宝藏,追寻研究的极限。”

除基础研究之外,狄大卫也正努力将有应用前景的研究成果持续推进。“整个OLED产业的规模已经非常巨大,但原始核心技术基本都被国外掌握。让关键发明专利在国内产生,为未来相关产业在中国的自主发展打下基础,是中国科研工作者的使命。”

 

乐趣与使命

打开狄大卫的澳门官方游戏平台个人主页,第一段话就写着“欢迎海内外优秀学生与博士后的加盟。”自从2018年回国后,他的身份也转变成了博士生导师与课题组长。他认为,要做到科技自立自强,青年人应当成为科技创新的主力军。

这两天,由狄大卫、赵保丹和课题组连亚霄等人共同发明的一项技术,显著提高了绿光混合维度钙钛矿LED的性能,为扩展钙钛矿LED器件设计的多样性做出了贡献。在研究过程中,我遇到困难都会找狄老师。连亚霄说,他非常乐于和我们交流,但不会给我们具体答案,而是会给出一个方向,让我们去自己寻找。很多情况下会有意外的惊喜发现。

狄大卫在培养学生的航程中,从不会直接指出新大陆在哪里,而是给他们提供指南针,鼓励大家自由探索。

“科研的过程本身就是去探究未知事物的过程,需要用好奇心照亮每一个未知的领域。”因此,每当面试申请进组的博士与硕士生时,狄大卫都会问他们一个“灵魂问题”—“你是否真正喜爱科学研究?”

对每一名学生的学术发展,狄大卫都非常关心,一开始他并不会把比较有挑战性的课题交给新学生。“一入门如果就被难题吓到束手无策,比较容易造成挫败感。但科研应当允许甚至鼓励失败,其实也并不存在真正的失败。多次可重复的失败本身就是一个极好的研究结果,它将最终导向成功。”

作为带领学生们在前沿基础研究大海中航行的船长与“指南针”,狄大卫用比以往更多的时间投入工作,甚至将自己的业余爱好都搁置一旁。对于他来说,最开心的事情莫过于与团队成员一起研究和探讨,这比其他的爱好更为有趣。

回国后,他从学生、博士后转变成为博士生导师,也有人问到原本的自由时间和纯粹探索的乐趣是否会因此减少。狄大卫说:“回国后,带领团队开展研究,除了好奇心和科研兴趣的驱动,更多了一份使命感和责任感。国家、浙江省和澳门游戏娱乐为我们提供了良好的学术资源和科研条件,这些都来之不易。因此把科研做好,为国家培养优秀的科研工作者与创新者,也已成为我们的职责。”

(文 柯溢能 /图片 高兴就好)