作者:郑金武 来源:中国科学报 发布时间:2022/1/21 10:41:20
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化学所赵永生:努力在“光”领域做出“大”成果

 

“我一般都是9点左右上班,上午处理邮件,到各大学术期刊网站浏览最新研究动态,有时需要参加一些会议,下午找学生讨论研究进展。晚上办公室比较安静了,我会写写项目书,给学生改改论文。以前一般晚上十二点左右回家,现在住得离单位远了,通常十点多回家。”赵永生描述的自己一天的工作状态,简单而忙碌。

走在中国科学院化学研究所园区,赵永生朴实的形象,很容易让人把他误认为是一名学生。但现实中,赵永生是中科院化学所研究员、中科院光化学重点实验室副主任,并在中国科学院大学任教。

赵永生在国际上引领了有机纳米光子学材料与器件这一前沿交叉方向的研究。他用化学思想发展了新型光子学材料,推动了有机激光材料在可穿戴器件与下一代显示技术中的应用;以有机材料的光子学特异性为突破口,他揭示了分子在凝聚态下特殊的激发态动力学过程,促进了光化学学科的发展。针对本领域研究需求,赵永生发展了具有自主知识产权的纳米光子学表征新技术,在多家高校、研究所及企业进行推广,显著提升了我国在纳米光电子领域的整体创新能力。

赵永生在办公室。郑金武摄

立志做有意义的事

做科研,离不开一位好的导师。在这方面,赵永生认为自己是幸运的。

中科院化学所攻读博士学位期间,赵永生师从姚建年院士。在导师的指导下,赵永生开始接触有机光功能材料。博士期间,赵永生将色谱柱用的吸附剂引入气相沉积系统,解决了有机小分子单晶材料的制备问题,将有机低维材料的研究从无定型粒子拓展到了单晶体系。

2006年,赵永生博士毕业。“本来打算毕业后出国做博士后,但是手头刚开始的比较重要的工作还没有结束,而且没有第一时间联系到研究方向比较相关的课题组。”赵永生说,“姚老师建议我继续留在组里做一段时间,建议我大胆做一些新的尝试,争取在博士工作的基础上有实质性突破。”

赵永生于是开始研究有机微纳晶体材料的光子学行为。在接下来的几个月时间,赵永生首次观察到了有机一维单晶材料的光波导性质和激光出射行为,后来报道了世界首例有机纳米激光器。《自然》杂志在其“News & Views”栏目专文介绍和评价了该研究成果。

在博士毕业后的半年里,赵永生所做的工作后来发表了一系列高水平论文,其中几篇是有机纳米光子学领域最原始的经典工作,从此掀起了该领域此后十几年的研究热潮。文章中报道的一些关键性能参数成为后来本领域同行评价材料性能的重要参考标准。

博士毕业的第二年初,赵永生前往美国,先后在加州大学洛杉矶分校和西北大学从事博士后研究。“在国外的几年间,除了学习一些先进的科研经验,更重要的是学会了对研究工作的独立思考。”赵永生回忆道。

留学期间,赵永生深受导师的启发,树立了“去做一两件有用的事情”的梦想。“我相信只要努力按照这个目标去做,在今后的科研工作中,也会有机会做出一两件改变生活方式的事情。”这个想法影响了他回国开展独立研究工作时的选题方向。

探索有机材料中的激发态特异性

2009年赵永生回国入职中科院化学所,致力于有机半导体光子学材料,特别是有机激光材料方面的研究。

早在2011年,赵永生课题组发现,有机材料的激子弗伦克尔激子(Frenkel Excitons)跟无机材料的瓦尼尔(Wannier Excitons)相比,具有较高的束缚能和稳定性,可以在室温甚至更高温度下通过激子与光子的耦合形成一种半光半物质的新的量子态——“激子极化激元”(Exciton Polariton)。但在传统的无机半导体材料中,这种耦合态的形成通常需要极低的温度。

这种半光半物质的量子态兼具光子和激子的属性。光子本身是一种不带电荷的玻色子,其行为很难进行人为操纵,激子极化激元的形成,使得通过对激子的操纵来间接地操纵光子成为可能。

在2018年的一项工作中,赵永生团队首次利用静电场对激子扩散行为的影响,在单根有机半导体纳米线中打破了光传输的对称性。他们将单根有机单晶波导材料置于一个外加电场中,原本向纳米线的两个相反方向上等量对称传输的激子,在电场作用下发生了重新分配,因此电场的引入可以同时打破光传输的对称性,实现电场控制的光学二极管功能。

这是首次在微纳结构中通过外加静电场调控光子行为来实现这一功能,这一结果为实现对光子学功能器件的远程控制,优化集成光子器件结构提供了重要借鉴,相关结果发表在《科学—进展》。

赵永生介绍,激子极化激元作为一种新的玻色子,可以展现出玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)的量子现象。玻色-爱因斯坦凝聚态是继气、液、固以及等离子态之后物质的第五态,这种现象通常是在极低温度下的冷原子中实现的。有机材料中的激子有可能在更高温度,甚至室温下实现BEC,从而表现出新颖的性质,例如超流体、相干光产生等,在拓扑光学、量子调控等方面具有重要应用。

2021年6月,赵永生团队在有机微纳结构中,首次实现了室温下的激子极化激元玻色-爱因斯坦凝聚,研究成果发表在《自然-通讯》上。

激子极化激元的产生需要特殊的微腔结构,而目前所采用的微腔结构器件尺寸大、难以控制激子极化激元的传播。这对进一步集成应用带来了困难。

为此,赵永生团队设计出一个新颖的结构,来摆脱产生激子极化激元对外加微腔结构的“刚需”。研究人员选择一种具有平面刚性结构并带有侧向取代基的有机分子,将其组装成厚约百纳米、宽度几微米、长度几百微米的带状单晶结构,发展出一种有机半导体单晶微米带。

“这种形貌规整、表面光滑的微米带可以充当一个波导微腔,在光激发下,有机材料中的激子与微腔光子发生强耦合。”赵永生介绍。

在光激发下,有机材料中的激子与微腔光子发生强耦合,微米带中产生大量的激子极化激元,在在有机分子振动能级的辅助下,最终形成玻色-爱因斯坦凝聚态。

“这项工作取得了令人激动的结果,将在有机半导体材料和有机光电子学领域引起极大的研究兴趣。”赵永生团队的工作获得了审稿人的高度评价。

赵永生表示,已有的研究证实,激子极化激元玻色-爱因斯坦凝聚态有望成为“电泵浦激光”的有效途径之一。团队的研究成果,将为攻克“电泵浦激光”难题提供基础。

开拓有机光子材料应用

在做好化学交叉科学基础研究的同时,赵永生团队致力于发展新型有机光子学功能材料,并探索它们在可穿戴器件与下一代显示技术中的应用,代表性的成果包括激光平板显示与柔性光子皮肤。

当前,显示技术突飞猛进,正向着更大、更亮、更艳丽、更轻薄、更震撼的下一代产品飞速发展。激光显示具有全色域、高亮度、极限高清、真3D等优势,是继阴极射线显示、液晶显示、LED显示之后的下一代技术,被业界称为“人类视觉史上即将到来的一场革命”。

激光显示已经在激光电视、激光影院等领域实现了商品化。然而,这种利用投影三基色激光的方式限制了激光显示在手机等平板领域的应用。将红绿蓝三色的微纳激光作为单个像素,构建主动发光的全色激光阵列作为显示面板,是发展平板激光显示的关键。

针对激光平板显示的关键需求,赵永生团队充分发展了精准打印和印刷技术,构建了红绿蓝微纳激光阵列作为显示面板,实现了主动发光激光显示,解决了当前激光投影显示无法用于手机、平板、可穿戴设备等领域的问题。在制得的显示面板上,每个像素点都是一个独立的激光点。

利用这种自发光的激光面板还可以实现图案的动态显示,用于信息滚动播出、视频播放等。该工作为发展高性能、易加工的平板激光显示及照明器件提供了一种可行的解决方案。相关工作发表在《自然-通讯》上。

无论是科幻世界里,还是在现实生活中,“人型机器人”都受到极大关注。而“人形机器人”不光要有人的外形,还得有能感觉的皮肤,像真正的人一样拥有触觉、温觉和痛觉。

2021年7月底,赵永生团队在《科学-进展》上发表论文,宣布研制出了最新款的人造光子皮肤。赵永生团队首次提出用柔性有机激光材料制备出具有传感功能的激光阵列的思路,并发展了“双层电子束直写技术”实现了这一思路,创新性地设计出“三维支撑性微盘结构”,最终展示了其类皮肤的机械传感应用。

当前,继利用柔性电子学原理设计的人造智能皮肤已经取得长足进展后,柔性光子学原理成为吸引科学家关注的新方向。“光子学有非侵入性、超灵敏性、无电磁干扰以及并行处理等优点,有望进一步推进人造智能皮肤的发展。”赵永生表示。

前期工作中,赵永生团队围绕有机激光材料开展了深入研究,并探索了柔性有机激光材料的可控加工,为最终实现具有传感功能的柔性光子皮肤奠定了基础。

为了实现灵敏感知的功能,赵永生团队在透明的聚合物衬底上对许多微型有机微纳激光器进行“排兵布阵”。类似于电子屏幕上像素点越多分辨率就越高,激光器越多,则光子皮肤的“感觉”越细腻。

想要在类似皮肤的柔性衬底上构筑“阵列”面临严重的技术困难,在硅基材料加工领域相对成熟的光刻技术对于绝大多数的有机材料很难适用。为此,研究人员发展了“双层电子束直写技术”,相当于用一种特殊的“笔”把有机激光材料“写”在衬底上。

在“写”“阵列”的过程中,科研人员还发明了一种特殊的结构。“如果把有机微纳激光器平整地‘贴’在柔性的‘皮肤’上,随着关节活动它可能会发生不可逆的结构碎裂和变形,这样会对光子学性能产生不利影响。”赵永生介绍。

为此,他们设计出一种三维的“支撑型微盘结构阵列”。实验证明,该结构能够维持“皮肤”的机械稳定性,不受关节活动影响。同时,它还可以有效抑制光场向衬底的泄露,让微盘腔具有较强的光学限域能力。

在概念性光子皮肤展示实验中,科研人员将柔性耦合线-盘传感芯片贴附在人手模型上,实现了多种手势的识别。未来,这种新型柔性光子学芯片在人的本体感觉重构、人机交互和机器人自保护系统等领域具有广泛的应用前景。

享受北京的科研氛围

赵永生在有机纳米光子学材料与器件等领域的多项创新性研究工作,得到了国内外同行和学术团体的广泛认可。在国内,他已经获得了十余项有重要影响的学术奖励。其中他本人作为主要完成人获得国家自然科学二等奖(第二完成人)、中国科学院杰出科技成就奖(集体奖突出贡献者)、中国分析测试学会科学技术一等奖(第一完成人)等集体奖项;获得的主要个人奖项包括:2020年何梁何利基金科学与技术创新奖、2016年中国青年科技奖、2014年中国化学会-赢创化学创新奖、2014年中国科学院青年科学家奖、2011年中国化学会青年化学奖等。

与此同时,赵永生还于2015年入选英国皇家化学会会士,同年获得了英国皇家化学会旗舰期刊设立的ChemComm未来科学家奖,这是该奖项设立十多年来首次授予亚洲地区的青年科学家。2013年,赵永生荣获亚洲大洋洲光化学协会青年科学家奖,2014年获中美化学教授协会杰出教授奖。

作为博士生导师,赵永生也在做好研究工作的同时,特别注重对青年科技人才的科研素质和创新能力的培养。目前,赵永生团队有20人左右的规模,过去10年培养了20多名博士研究生,其中有5人获得中科院研究生的最高奖——中科院院长奖,1人获中国科学院百篇优秀博士学位论文奖。

在培养的年轻人中,1人获基金委优秀青年基金支持。已毕业的博士生中,有10多人在国内高校和研究所担任教授、副教授,他们正在自己的教学科研岗位上,将团队的学术思想和科研态度进一步发扬光大。闫永丽研究员是赵永生团队中的一员,2020年,闫永丽获得北京市杰出青年基金支持。

2021年9月荣获2020年度北京市杰出青年中关村奖。“北京的科研氛围是最好的,从基础上来说,也是最深厚的。”赵永生表示,良好的科研环境,是促成成果涌现的重要土壤。

目前,北京是我国科技基础最为雄厚、创新资源最为集聚、创新主体最为活跃的区域之一,拥有90多所大学、1000多所科研院所和近3万家国家级高新技术企业。在北京的国家重点实验室有128家,每天设立的科技型企业超过300家,这决定了北京具备发展新赛道和未来产业的硬实力。

“十四五”期间,北京将充分发挥科技和人才优势,“锻长板、补短板”,坚持“四个面向”,深化科技体制改革,推进“揭榜挂帅”等新的科研组织方式,在前沿领域实现更多“0到1”的突破。

赵永生表示,团队将不断努力,争取产出更多重大成果,助力北京国际科技创新中心建设。

 
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