——记中科院上海应用物理所研究员宋飞
本刊记者  汲晓奇

　　 寒冷冬天的窗玻璃上，常出现形态各异的冰花；夏日雨后的荷叶上，常有滴滴水珠滚动……这些现象对于普罗大众只是平常现象，而对于科学工作者却是探索研究的源泉，“这是表面界面上的动量、能量和质量的迁移现象”，中科院上海应用物理所宋飞，从他的专业角度阐释了这两个现象。

小现象中的大发现

　　 每谈到研究，平时少语的宋飞像变了个人似的，话匣子一下打开了，“凝”在东汉许慎的“说文解字”一书中同“冰”，指的是水结成冰的过程。而英语表述是condense，指的是密度变大，从气或蒸汽变液体。看来西方人对凝聚现象的注意可能始于对气体的观察，特别是水汽从气态到液态的现象。这是很有意思的差别，不过东西方二者原始意义的结合，恰恰就是今天凝聚态物理主要研究的对象—液态和固态。凝聚态物理学是从微观角度出发，研究凝聚态物质的宏观物理性质与微观结构以及它们之间的关系的一门学科。
　　 作为当今物理学最大也是最重要的分支学科之一，凝聚态物理学涵盖了固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理等学科，研究范围包括了与社会生活紧紧相关的方方面面——而正是这些与社会生活相关的研究深深吸引着宋飞。他最先关注到有机发光二极管，这项技术利用了有机薄膜的电致发光特性，“有机薄膜自身的电能如何？”这是他首先想到的，如果薄膜的导电性能不好，电荷的传输就会慢下来，而电子结构本身的改变也会影响电子的传输性能。为此，他开始对不同厚度薄膜材料的电学性能进行检测，在实验室自己搭建了纳米探针电导测量平台并利用扫描隧道显微镜谱、光电子能谱等系统，对组装在Ag/Si(111)半导体表面上的CoPc有机分子层的电导、电子结构、能带结构等进行测量。这是国际上第一次直接测量到了有机分子薄膜层的导电特性，与其他间接测量有机薄膜层电导性质相比，更加直观可信。这项研究不仅在探索有机半导体材料在金属和半导体电极上自组装的机理和电学性质方面取得了重要的原创性成果；更重要的是，发现了有机分子薄膜层的电导随其厚度呈现出非线性变化的规律和随温度变化而出现的相变现象。这项研究对设计新型光电器件及提高有机分子器件的效率和性能都有着重要的指导意义，解决了该领域内的一个关键问题。他的研究也在这个基础上一发不可收拾。

从兴趣使然到理性选择

　　 “最想读军校，去部队为祖国的国防事业做贡献”，这是年少时宋飞的梦想，也是他本科选择国防科技大学的原因。高中的物理课程学到了很多电学、光学、力学的知识，让他觉得能用物理知识解决生活中的实际问题非常有成就感，尤其是班主任“把物理知识掌握好了，就可以把知识与社会、科学结合起来，让知识发挥应用价值”的一席话，令他最终选择了偏应用的光电物理，从此走上了应用物理研究征途。
　　 本科毕业后，受学长影响，宋飞选择了去浙江大学从事凝聚态物理研究，并有幸遇到在凝聚态物理研究领域中颇有一番见解的良师。在导师的引导下，宋飞经历了从最初探索新材料到相关研究制备，从研究相关机理到对以应用为背景的有机发光二极管器件研究，再到表/界面电子传输、传输效率、电导性质等研究。在一步步的摸索中，他从对凝聚态物理产生兴趣，发展到不断研究，不断总结，并在此基础上，先后发表了《有机半导体在金属表面上的电子态研究》《吸附在金属表面上的二维有机薄膜的电子结构和电学性质测量》等一系列学术论文。随着专业研究的深入，随着人生阅历的增长，宋飞愈来愈感到研究不仅是限于学术，研究还要有别的意义……这时，浙大要选送一批成绩优异，具有发展前景的学生到海外进行联合培养，天道酬勤，宋飞被浙大第一批选中，2007年，他踏上了异国研究旅程。
　　 在7年的“游学”中，宋飞在丹麦、荷兰、挪威、德国等不同国家的不同实验室进行研究，在不同的环境中，与不同科技工作者的交流中，宋飞发现表面/界面工程技术是当前材料研究领域的热点、还是发展新技术产业和改造传统产业的增长点和结合点，他告诉记者，“一般来说物体本身是均一的物态，所以不会发生太大变化，然而在两种不同材料的交汇处，即我们所说的表面/界面，就会产生电学性质、物理性质、力学性质以及功效性质等一系列变化，这些变化不仅在理论上有重要的研究价值，而且在几乎所有的工业领域都有广泛应用”，“这些年的研究经历告诉我，所有的研究项目都要有明确的目标”。他的目标就是，研究凝聚态物质表面和界面处各种新颖的物理现象和性质，比如新型低维纳米结构电子性质的表征和调控，解决新型器件如有机钙钛矿太阳能电池、有机发光二极管中界面处影响器件效率的一些关键科学问题。
　　 7年的“游学”不仅令宋飞开阔了眼界，找到了研究的意义，而且最大的收获是独立思考和动手能力。在国外，不论是研究生，还是博士生一般只有几个月的适应期，此后就必须由学生自己独立思考、摸索、亲自动手操作，并在每周的组会上要阐述自己的研究和发现，这些对开展科学研究具有很大的启发作用，这与国内学生动手能力和独立思考能力不强形成了鲜明对比。具体是什么原因造成这种差距？宋飞认为，一方面是因为国内学生多而实验设备有限，学生可操作的时间有限，同时也担心损坏实验设备而受到导师的批评，大大降低了亲自动手的积极性；同时，国内不少学生都习惯于参考一定程序和模式，没有思考过程。他希望在对学生的培养中要增加一些独自动手和独立思考的机会，他希望，他的学生能多向他提问，能勇于探索，这也是他回国的一个目标。
　　 当谈到回国目标时，宋飞说，“国内的科研进步非常大，特别是近几年，国家不但在科研的硬件与软件上投入很大，而且对人才扶植也很大，就想尽快回国，建立起一支高效的科研团队，利用自己的研究专长以己之力为国家做点贡献。”2014年，宋飞放弃了国外优越的条件，作为中国科学院“百人计划”海外杰出人才引进回国。

科研的意义在于应用  

　　 “科研的目的在于应用，应用研究的意义是造福于社会、造福于民”，在研究中宋飞始终坚守着这样的理念，他认为，如果只强调传统的基础物理研究，会与应用结合脱离太远；如果一味强调“探索发现”，又容易“天马行空”使目标不明确，丧失科研的意义。
　　 传统的石墨烯要1000多度的高温，才能将碳化硅中的“碳”分离出来，形成石墨烯。1000多度的高温不仅能耗高，形成资源浪费，而且，这样的高温会导致样品形成缺陷，能不能把温度降低？在研究中宋飞常常这样想。他发现当铁遇到硅时会形成新的化合物，在700度的温度下，“碳”就能轻易分离出来，形成石墨烯。这项“一举两得”的研究，不仅降低温度，得到了石墨烯，还创新性地实现了人为调控的石墨烯纳米结构，如石墨烯量子点、石墨烯纳米带、石墨烯纳米岛等，“这是因为铁膜的形状可人为控制所致”。
　　 随着新能源、新材料在各领域方兴未艾的广泛应用，太阳能电池作为新能源中一支新秀，异军突起，倍受市场青睐，其涵盖内容广泛。然而，在制作多晶硅的环节中会产生严重污染，加之清洗材料中含有各种化学制剂，使污染加重。而中国作为多晶硅太阳能电池原料的出口大国，深受其害，研究无污染的新型能源成为国家重大战略需求。回国后，宋飞敏锐地捕捉到这个信息，他发挥一己之长，在功能性有机薄膜材料和钙钛矿太阳能电池上开展了一系列研究。基于对不同类型的薄膜材料的深刻认识，他特意挑选几种功能性薄膜材料并结合在一起，从而制备出性能优异的电子产生层、空穴产生层等。
　　 在研究中，尽管他的侧重点是应用研究，但他认为，基础物理研究也会对核心的应用研究产生影响。比如在钙钛矿太阳能电池研究中，他就是借鉴前期有机薄膜的机理研究，通过掺杂引入功能性有机小分子，发现器件的性能得到了大幅提升，并通过研究其光电转换效率的提升与相对应结构变化的关系，找到能形成稳定的钙钛矿结构且拥有较高的光电转换效率的纳米材料。他希望，通过这些研究，能为国家在新能源和新材料的发展上做出一点贡献。

大平台上的那扇窗

　　 2014年8月底，宋飞加入了上海光源的大团队。如果说上海光源是我国迄今建成的规模最大的大科学装置和多学科研究平台，那么，宋飞的研究就是这个平台上展示风景的那扇窗。这里是我国提升原始创新能力和培养凝聚优秀人才的多学科交叉研究的重要平台。
　　 实验室的研究结果大都是在超高真空或超低压等非常洁净的环境中得到的，虽然材料的性能非常好，但在真实环境中，受气压、水分、各种污染气体影响，其原有的性能很有可能就会不复存在甚至改变，这意味实验室中得到的好产品在真实应用环境中将可能失效，如何弥补这个压力鸿沟便成了当下亟待解决的难题。方向决定行动，人才托起成功，借助上海应用物理研究所材料与能源科学部的科研力量，宋飞很快组建了一支蓬勃的科研团队。借鉴国外同类装置的建设经验，在现有条件的基础上，他们设计了软硬X射线结合的近常压光电子能谱实验站，以便模拟一个尽可能真实的实验环境，规划已经获得国内外专家的可行性评审通过。这期间大到实验站的布局规划，小到各个腔体的大小及扩展窗口的选择无不倾注着整个团队的心血。“实验站一旦建成不但可通过调节入射光子能量，实现逐原子层（layer by layer）的元素分辨及化学形态的精细识别，而且能在气相、液相、固相等原位条件下，实时准确检测各种样品的物理结构、电子结构和化学形态，直接观察到表面反应过程、形貌结构变化，从而满足材料、物理、化学等多学科领域的多重需求。”
　　 宋飞欣喜的不仅是他的多项研究将在这个平台上得以实施，而且能通过这道窗，向世界展示他们原创的、新颖的“风景”。