厚度仅有头发丝的1200?这所高校取得关键突破!
发布时间:2022-07-31 13:17

  中国科学院院士、西北工业大学柔性电子前沿科学中心首席科学家黄维这样为其定义:柔性电子技术以柔性材料为基础、柔性电子器件为平台、光电技术应用为核心,是一类在物理学、化学、材料科学与工程、力学、光学工程、生物学、生物医学工程、基础医学等学科高度交叉融合基础上形成的颠覆性科学技术。通俗地讲,柔性电子技术就是将有机、无机或者有机无机复合材料沉积在柔性基底上,形成以电路为代表的电子元器件及集成系统的一门新兴交叉技术。

  “柔性电子具有轻、柔、薄、透等特性,这些特性使得它可以和其他东西共形,极大扩展了电子器件的适用范围。因此,柔性电子技术应用广泛,可与人工智能、材料科学、物联网、空间科学、健康科学、能源科学和数据科学等学科深入交叉融合,进而引领信息科技、健康医疗、航空航天、先进材料等学科的创新变革,是真正的‘硬核’技术。”黄维院士团队宋霖教授介绍。

  例如,在航空航天领域,通过材料的变革,为航天器或飞行器减重一直是科研人员努力的一个方向。“对于火箭、航天飞船等航天器来说,主体常常使用高密度材料以保证自身坚固,结构重量无法减轻。想要减轻其重量,科研人员只能从飞船内的仪器设备入手。目前世界各国主要载人飞船的重量都在20吨左右,除去防火外衣和结构重量,各类电子设备依然达数吨重。如果将仪表盘、操纵杆、按钮等替换为柔性电子器件,就能够大幅减轻设备重量。”宋霖说。

  世界各国都在积极布局这项具有颠覆性的前沿技术。我国在这一领域产生了大量原创性成果,一定程度上引领该领域的发展方向。黄维是国际上最早一批从事柔性电子技术研究并长期活跃在该领域前沿的世界顶尖学者。20世纪90年代初,他开始致力于物理、化学、材料等多个学科交叉融合发展起来的国内的柔性电子学研究。

  2017年,在黄维的牵头下,西北工业大学柔性电子研究院成立。2020年,在研究院的基础上,西北工业大学柔性电子前沿科学中心成立。短短几年,该研究院围绕柔性显示、柔性储能、柔性传感等领域的基础科学和关键技术问题,取得一系列重大突破。

  “一方面,我们坚持做‘顶天’的理论研究,希望在这一新兴学科取得更多原创性的理论突破,支撑学科不断发展;另一方面,我们坚持‘立地’面向市场需求,做‘有用’的科研,推动科研成果不断落地转化。”宋霖说。

  在西北工业大学柔性电子器件制备实验室, 研究人员用滴管滴了几滴溶液在一台仪器的器皿中,两三分钟后,一张大约一平方厘米的钙钛矿薄膜就生成了。

  在室温环境下,制备出钙钛矿太阳能薄膜电池是宋霖所在的西北工业大学柔性电子研究院塑料电子研究所取得的一项突破性成果。“塑料电子是柔性电子的核心组成部分。我们从具有本征柔性的塑料电子材料及器件出发,研究塑料电子材料的光电性质、薄膜凝聚态行为、载流子的动力学和界面的动态力学等关键科学问题,开发溶液和薄膜加工技术及器件制备工艺,发展柔性塑料电子器件与系统。”宋霖介绍。对柔性钙钛矿光伏器件的研究,是该研究所面向国家发展和社会需求,推动柔性电子技术“落地”的一个方向。

  铅卤钙钛矿是10多年前发现的一种新材料,可用于太阳能发电。相比传统太阳能电池板中使用的硅晶体,钙钛矿光伏材料不仅更便宜、更轻薄、可变形,同时更环保。但是,这种材料由于结构不稳定,很难实现在空气中合成,极大地限制了其大规模应用。

  “我们团队合成了一种新型离子液体溶剂,可以替代传统有机溶剂,实现了在室温条件下‘印刷’出稳定的钙钛矿太阳能薄膜电池。”该课题组成员冉晨鑫副教授进一步介绍,“用这种方法制备的钙钛矿太阳能薄膜电池,厚度仅有300纳米,是头发丝的二百分之一,不仅稳定性高、制备简单,还提高了光电转化率,太阳能转化效率可以达到24.1%,比传统方法提高了两个百分点。”

  2021年3月27日,该成果论文刊发在国际期刊《科学》上,被认为是解决了钙钛矿光伏材料制备的“痛点”,为太阳能电池的生产提供了更多可能。

  “关键制备问题的解决,为钙钛矿光伏材料的大规模应用创造了条件。功能导向、择优设计、绿色无毒、稳定高效的离子液体钙钛矿光伏技术将有力推动光伏技术快速发展。可以预见,钙钛矿光伏技术将会被应用在柔性可穿戴装备、智能窗、无人机系统、航天器等重要领域。”宋霖介绍,目前团队正在同西北工业大学相关团队合作,推动钙钛矿光伏技术在无人机等领域的应用。

  在取得柔性光伏材料重大突破的基础上,塑料电子研究所面向新一代信息显示、生化传感、健康医疗、军事科学、空间技术、能源和环境的可持续发展,聚焦柔性照明与显示、柔性能源催化等领域的关键科学问题和核心技术,开展塑料电子材料与光电器件、高分子能源转化与存储、塑料电子器件机制与集成系统的研究,最大限度地探索塑料电子在柔性领域的更多可能性。

  柔性电子学是在多学科高度交叉融合基础上产生的一门新兴学科。这不仅意味着研究领域的交叉融合,也意味着更多的未知和挑战。

  “新兴学科的科研和人才培养,需要打破传统,鼓励自由探索。”宋霖介绍。2018年,32岁的他在德国完成博士后的科研课题后,加入了西北工业大学柔性电子研究院。宋霖是物理专业出身,来到研究院后,他深刻体会到了不同学科背景下的思想碰撞,对激发创新的重要性。宋霖说:“柔性电子是集化学、物理、材料、生命、电子、计算机等多学科高度交叉融合的研究方向,研究院教师学科背景多样,大家在讨论中,开拓了思路,激发了创新的活力。”

  从做科研到带团队,宋霖身体力行,鼓励学生自由探索——每天不管多忙,都会到实验室询问学生的实验情况,帮助学生解决问题;每周一次雷打不动进行学术分享,大家各抒己见、思想碰撞。“多试几次!”“不着急、慢慢来!”……这些都是团队成员最常听到的鼓励。

  在宋霖团队,“心情不好”“身体不舒服”都是可以不做实验的正当理由。但是,“好奇心”“求知欲”却让团队成员废寝忘食地待在实验室,静静等待着一次又一次实验结果。“几乎95%的实验都是失败的,我们的研究就是在不断试错中积累经验,然后向成功迈出一小步。”宋霖说。

  博士研究生惠炜就是一个整天“泡”在实验室的人。他几乎每天从8时到22时都在实验室。“当第一次看到一片小小的薄膜通上电发出炫目光芒,我就被它深深吸引了。‘好奇心’驱使我去研究它,发现它的更多秘密,也希望我的努力,能让它为我们这个世界做点什么。”说起选择柔性电子作为研究方向的初衷,惠炜回忆。

  说到成功的“秘诀”,惠炜坦言:“这是无数次失败后的必然结果。几十种材料的性能、作用各不相同,除了一点点试,没有什么捷径可以走。正是通过实验,我们才能发现问题,积累经验,从而更好地了解它们。所有的科研成果都是这样一点点、一步步积累起来的。”

  在博士研究生吕绍沈看来,做科研就是一个不断发现问题从而解决问题、“打怪兽升级”的过程。而发现问题和解决问题的过程,对从事科研工作的人来说,也是自由探索和不断成长的过程。“材料从刚性到柔性,有很多科学问题等待我们去发现和解决。面对无数未知的问题,是整个团队支撑着我们每一个人独立思考,不断探索,勇敢向前走!”吕绍沈说。

  宋霖表示,“在新一轮科技和产业变革中,柔性电子技术将为我国自主创新带来重要战略机遇。我们将在这一领域不断攀登,寻求重大理论突破,努力产出更多引领性原创成果,为我国科技自立自强贡献力量!”