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赵维巍:峰回路转辟新疆 戮力同心践实创
——记哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院教授赵维巍

作者:□ 刘玉杰  来源:科学中国人  发布时间:2019-01-23

导读:  将基础研究技术和成果产业转化两手抓,让技术落地求真,赵维巍明白还需要克服的阻碍有很多。但这并不影响他和团队的信念,他们始终坚信:随着国家对产学研的重视程度不断加强,在相关政策的支撑引导下,伴随着法律机制的不断完善,凭借自身在人才科研方面的优势,依靠技术研发实力,我国高校、科研院所的科技成果转化效率将持续推高。

  ——记哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院教授赵维巍


  □ 刘玉杰

 

 

  
  2008年,留在赵维巍人生履历上的是一次堪称冒险的决定,不过时至今日,他更愿意用“没想到的10年”来给自己的峰回路转做一个小结。
  那一年从哈尔滨工业大学材料学院顺利获得博士学位后,他转道进入中国科学院物理研究所/清华大学,完成了一次从“焊接”到“物理”的跨界冒险。对于这个不寻常的举动,赵维巍的解释是“焊接不同于简单的材料连接,要讲究很多新方法去控制、去尝试。这里面涉及很多科学问题,而且所有这些科学问题其中的一点就是材料的表面问题和界面问题”。如何将表面变成界面,怎样把多个表面连接成一个界面,恰好涉及深层次的低维物理问题。
  材料焊接和低维物理研究互为支撑,顺理成章,赵维巍为了更深入地去研究焊接和表面物理问题,于2011年前往美国宾夕法尼亚州立大学物理系深造。5年后再次回到哈尔滨工业大学(深圳),他实现了将物理机理性知识融入材料加工学科,乃至量子、印刷电子及柔性电子器件产业的联合发展。“回国1年多的时间里,我一直在思考一些事情,那就是怎样把后期在低维物理方面的收获和最早学到的材料加工基础有机地结合起来。”
  如今,比起谈跨界转折过程中的磨砺、阻碍,赵维巍更喜欢讲一讲学科交叉带来的好处,谈一谈团队建设和正在开展的产业化进程。他说:“在推动产学研发展的过程中,我们想要做出一些成绩。印刷电子材料研发是一方面,基于新材料的产品器件研发是另一方面,我特别希望的是成果可以在未来实现应用,能够看到实实在在的、投入市场的墨料和产品器件......”
  

审时度势,新需求力促新发展


  印刷术古来有闻,作为中国四大发明之一可以说是声名远播。那么,将传统印刷与现代电子相结合又会出现怎样的效果?印刷电子学顺势而生,这是一门利用传统的印刷技术制造电子器件、系统的科学与技术。
  简单来说,印刷电子技术是基于印刷原理的电子制造技术。得益于20世纪70年代,以低成本制造为最终目的的有机电子学发展,顺应2000年之后,全球性纳米技术的研究热潮,印刷电子学逐渐形成了独立的学科与技术领域。“纳米材料本身的性质赋予了印刷图案结构电荷传输性能、介电性能或光电性能,从而形成各种半导体器件、光电与光伏器件,真正体现出印刷技术作为一种低成本电子制造技术的优越性。”《2017印刷电子产业白皮书》中如是记述。对此,赵维巍解释说:“印刷电子采用的主要材料其实就是电子浆料。这种浆料同杂志、报纸、海报等纸质印刷浆料类似,只不过是具备了导电、导磁和发光等一系列特殊功能。”
  长期以来,随着纳米技术的成熟以及材料领域的不断演化,越来越多的人注意到印刷电子研究,并且相继投身其中。所以,2009年后,国际上开始出现了以印刷电子为专题的国际学术会议;2011年,国外塑料电子杂志Plastic Electronics专文介绍了纳米材料在印刷电子技术中的应用前景;2012年,国际印刷电子标准委员会成立,成为国际电工委员会IEC下属的一个新的标准化制定组织与此同时,多个工业发达国家包括委员会意识到印刷电子的重要性,陆续开始了与其技术研发相关的政府研究计划,譬如:2009年英国成立了国家印刷电子中心,2010年韩国也设立了国家印刷电子中心,2011年日本成立了日本先进印刷电子技术研究协会等。
  这些年间,尽管印刷电子元器件和产品在分辨率、集成度、信息容量等方面尚未达到传统硅基微电子器件的应用水准,但工业界与科技界对它的关注度与日俱增。显然,这与印刷电子工艺技术显著的节约资源能力、绿色环保价值及成本价格低廉有着很大的关系。
  相对于主流电子元器件和产品在制造过程中,工艺复杂、原材料损耗严重、设备投资过大和存在重污染等问题,印刷电子工艺技术除了具有生产工艺简单、原材料损耗较低等特点,还可以实现大面积、轻质、柔软化、低成本生产。不仅如此,作为常温印刷工艺,印刷电子能够显著降低热能耗,有利于选择耐热性差、低成本的塑料薄膜、纸张与纤维布料等柔性材料。作为绿色制造技术,它又能够消除多数基于化学蚀刻工艺带来的废液排放等问题,通过采用具有良好降解性的有机功能材料与基材,从根源上彻底解决电子产品带来的环境污染问题。因此,不管是从印刷电子技术本身彰显的特殊优势和发展潜力考虑,还是由市场角度衡量它广阔的前景,印刷电子技术已经被各个国家和地区视为“未来电子产业发展的革命性解决方案”。
  正是考虑到自身的研发背景和印刷电子产业的时代趋向性,自2016年回国,在哈尔滨工业大学大力支持印刷电子研究发展的情况下,赵维巍毫不迟疑地抓住时机。他拉来师兄弟和朋友组建起一支具备海外研学经验、多专业基础的年轻化队伍,立足印刷电子关键材料和器件研发,全身心地投入到印刷电子墨料和微纳印刷电子等研究当中。
  

柔性可穿戴器件的关键材料


  “印刷电子墨料是柔性可穿戴电子器件的核心技术领域。迅速增加的市场以及应用对柔性可穿戴电子器件的导电颗粒墨料,在新环境下提出了新的要求:更高的安全性、成本低、适合速打印、更高的印刷分辨率、与基板更好的附着力、具有更多功能性等。”赵维巍说。
  作为一种新兴电子技术,柔性可穿戴电子技术突破了传统硅基电子制造的技术垄断,实现了在柔性的基板材料上制备功能器件。它创新采用传统印刷技术制造各种器件,凭借独特的柔性、可延展性,以及高效、低成本的制造技术工艺,在信息、能源、医疗、国防等领域拥有了广泛的应用前景。“应用于柔性储电材料,诸如有机光伏电池、铜铟镓硒光伏电池等;应用于柔性印刷传感器中,直接推动运动检测以及血糖指标体外检测技术和市场的发展;应用于有机图像传感器内,可实现高分辨率柔性图像传感器;应用于物联网里的射频识别系统,采用抗氧化纳米铜墨水与纸基载体,通过印刷工艺实现卷对卷的大量生产低价格的RFID标签......”不同的应用带来不一样的效果反馈,但显而易见的增益结果是有目共睹的。
  除此之外,近几年间,柔性电子器件的市场规模和拓展领域快速发展,据施乐帕克研究中心的市场分析报告显示:2016年年底,柔性电子的市场规模已达到450亿美元。而呈现这样的调查结果,其中作为关键材料,具有光学、电学等特殊功能的电子墨粒自然功不可没。
  鉴于市场的发展需要,同时为了柔性可穿戴电子器件的进一步优化,在今天,开发新型复合柔性印刷电子墨料被视作重中之重。“目前现有印刷电子导电墨料主要以银、铜、镍以及石墨粉末主导市场。所有金属中,银具有最佳的导电性和耐氧化性,在市场上也占有主导地位,达到了上亿元的市场份额。但是,银的价格昂贵,而且存在电迁移等安全隐患,在一定程度上限制了这种导电墨料的使用。”从赵维巍的介绍中了解到,为了降低成本并提高使用安全性,日本、欧盟等部分国家较早地开展了低价导电墨料的研究,希望通过降低成本价格尽快推广印刷电子的商业化应用。
  与此同时,相关从业研究人员也不乏各种尝试。其中,考虑到材料本身的物理性质,他们使用铜或者镍作为导电颗粒,但却因为铜颗粒易氧化产生绝缘层,镍的硬度过高而不得不放弃。“这两种材料除了不适合实际加工,导电性能比较低,同时烧结温度也比较高。”烧结温度,一种代表着耐火物料通过烧结达到性能最优时的温度,倘若过高便意味着需要付出更高的烧结成本,这与降低成本的初衷相违背。
  在认识到研发新型复合纳米墨料的迫切形势后,同时基于对可穿戴设备耐热性有待强化的了解,赵维巍团队积极投入到新型复合纳米墨料的研发,旨在消除可穿戴设备的安全隐患,发现耐高温、安全性能高的印刷导电材料替代品。瞄准离子液体电解质墨料和银包覆贱金属纳米颗粒导电墨料,他们依托哈尔滨工业大学深圳校区,凭借过硬的制备柔性检测芯片、柔性储能器件技术和丰富的专业实践经验,开展有源检测芯片(包括安全可穿戴柔性储能器件和安全柔性检测芯片)的制备,并进一步将新材料应用到器件中进行安全性与可行性的原理验证。“比如说,现有的铜或镍纳米墨料抗氧化性和烧结性能差,我们就先用银包覆一层,让它形成‘外银内铜’或者是‘外银内镍’的稳定复合纳米颗粒墨料。之后再将包覆金属(铜或镍)的纳米颗粒墨料应用到柔性生物医学传感器件装配当中,验证新开发材料在检测芯片中应用的安全性与可行性。”而离子液体电解质墨料的研究方面,在全面摸清现有有机电解质材料不耐高温状况下,赵维巍表示会采用离子液体作为耐高温的电解质材料,并严格遵循验证程序,将离子液体电解质应用到柔性储能设备的装配中,进而确定新材料在有源检测芯片中的可行性报告。
  反复的实验验证保证了新材料开发的可靠性,也间接地提升了后续材料投产的实践效率。而这一点,早在赵维巍团队确立“以柔性可穿戴电子器件中复合纳米颗粒设计为起点,到可穿戴器件产品实现初步产业化为结束”的研发目标之初,就已经考虑在内。他们始终记得,不满足实验室的空间,不满足单一的原料生产,而是要走向产业化的大格局。也因此,在准确把握国际电子制造科学与技术发展路线图的前提下,在深圳市产业发展面临资源成本上升、环境约束强化等现状下,赵维巍带领团队结合地方信息技术及新材料技术等战略新兴产业发展特点,及时跟踪印刷电子技术的国际前沿领域发展动态,极力推进具有自主知识产权的核心共性技术的形成。
  他说:“依托柔性印刷电子技术研究中心建立孵化器和科技公司,我们希望最终建设出业界知名的柔性可穿戴设备和关键材料生产、研发国家级高新企业。这将对深圳乃至全国电子、信息、材料及其系统制造产业的发展,都会产生重要作用。”
  

微纳印刷电子的医学价值


  如果说印刷电子墨料是面向器件应用的基础材料研究,那么,从侧重材料到注重医学检测芯片产品,赵维巍跨出了更接近市场的一步。
  “在完成初步的新材料构建后,印刷电子的研究最终还是需要落实到器件上,需要我们做出符合实际的产品。”赵维巍说,真正打造一个功能器件仅仅依靠材料完全不够,要讲求章法,考虑纳米材料的结合性、材料的固化和烧结等因素。“我们需要搞清楚,这些纳米功能性颗粒究竟怎样排兵布阵才会形成真正有用的纳米线。”
  于是,深入调查市场需求,综合运用前期研究积累,他们开启了“基于微纳印刷电子的纸基生物医学检测芯片研究与开发”课题的大门。“传统器件多为半导体材料,并不利于环境可持续发展的推行。而印刷电子器件不同,它未来的发展肯定是柔性的、轻质的、可降解的和环境友好的,更甚至是一次性的也有可能。”在赵维巍看来,印刷电子功能性器件有着其他材料器件不可比肩的优势。而这其中的纸基和布基器件,对他而言更是特别的存在。
  “我们与一些上市公司展开合作,考虑着是否能够开发部分纸基芯片代替传统的电化学芯片。”在寻找要替换的芯片期间,赵维巍基于对我国慢性糖尿病人群基数的认识做出决定,当即开展糖尿病即时检测芯片转向纸质化的研究。“我国慢性病患者人群基数非常大,且近年来患病率不断增加。根据《中国居民营养与慢性病状况报告(2015年)》和国际糖尿病联盟(IDF)公布的数据,中国现有确诊慢性病患者近3亿人,其中糖尿病患者数已达1.1亿,居全球首位。并且,慢性病的治疗对患者平日自我管理的要求较高,患者需要高频率、长时间的病程监测,来针对性地调整治疗和用药方案。在此前提下,家用即时检测医疗设备(POCT)的使用成为最大限度地解决慢病自我管理问题的途径,为患者节省就医的经济和时间成本。”
  据赵维巍介绍,从使用程度而言,POCT广泛应用在基层诊所和患者家中。近年来,由于国内POCT市场增速较快,连续多年高于国际增长水平,稳定保持在20%~30%的涨幅之间。从结构来看,POCT产品由试纸和仪器组成,被广泛应用于血糖、尿酸及心脏标志物等体外快速诊断领域。但是,传统的POCT试纸即检测芯片是一种电化学传感芯片,由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基材等材料制成,成本相对较高。“用纸基代替PET主要是基于两点考虑,一个自然是成本问题。若采用普通纸基材料(如A4纸)取代PET基板的工艺制程,单品消耗的材料费成本可降低至1/10左右。也就是说,每使用一个产品大约能够节约1分钱。可能1分钱单独看起来并不显眼,但对于庞大的糖尿病人群来讲,整体的就医成本可以节省出很大一部分。另外,从环境保护的角度来说,纸制品有一定的回收利用价值,同时还避免了生产化工材料过程中造成的污染问题。”他还强调,纸基材料具备了检测速度快、操作简便、可便携、较好的生物相容性等优点,在运输、处理方面可以有效减少资金和人力的投入比例。
  如今,全球每年的电化学生物芯片的使用总量已超过1000亿张,在注重纸基生物医学传感芯片大规模产业化同时,全球范围内的科研机构和产业界对纸基生物医学传感芯的基础研究也投入了大量的科研力量。这主要是由于现有纸基传感器的加工工艺并不完备。因为目前纸基芯片上电化学反应微电路的加工仍然依赖于光刻、喷蜡打印等技术,使得加工成本较高、打印精度低、检测精度低、服役稳定性较差等问题普遍存在。因此在现阶段,科研机构和产业界也只能描摹着纸基生物医学芯片的广阔前景,却无法踏出最后一步——大规模商业化应用。
  “此次,围绕基于微纳印刷电子的纸基生物医学检测芯片,我们开展了三方面的研究:一是讨论电路元器件的实现方法,我们进行了从开发具有生物相容性的导电墨料,到制备低成本、高性能的导电墨料等一系列探讨;二是关于纸基生物医学检测芯片设计方法,我们思考在保证稳定服役性的状态下,该使用怎样的技术方法,选用哪种纸张;三是芯片人机交互智能系统的设计方法,在获得芯片后,与智能手机等设备连接,将数据处理、显示和人机交互通过应用程序完成,从而实现芯片的智能化。”经过前期的人力、资金和设备投入,在哈尔滨工业大学深圳校区柔性印刷电子技术研究中心的支持下,赵维巍团队的攻关研究卓有实效。他们不但首次突破性地采用微纳印刷电子技术加工纸基芯片,实现了纸基芯片上的高精度检测微电路,提高了纸基芯片的检测精度,同时还提高了芯片的服役稳定性。
  “目前,检测芯片已达到中试阶段。我们也与上市公司达成合作意向,将在葡萄糖尿酸检测领域开展合作研究,利用印刷电子技术开发纸基生物芯片技术。此外,后续研究开发的新型多功能生物墨水也将直接与产业应用对接,实现产学研的紧密无缝对接,彻底打通科技成果转化渠道。”赵维巍笑着说道。
  

历久弥新,重踏故土展新章


  赵维巍不止一次谈到,材料加工和低维物理的交叉融合对他开展印刷电子研究工作的帮助。回顾“转专业”的重要决定,他表示,当初从零开始,完全从焊接转到物理,自己其实已经做好了充分的思想建设:“一点一滴地学起,我相信只要有心,踏踏实实地不断积累,一定会有所收获。事实证明我的选择是正确的,辛苦没有白费。”
  从本科学习到博士学位攻读,赵维巍在哈尔滨工业大学待了11个年头,把材料研究基础夯实得足够稳固。2008年11月,告别母校,告别焊接研究,他进入由薛其坤院士、马旭村研究员带领的研究组,从事量子功能薄膜材料的制备及量子效应研究。这期间,他积极开展量子材料相关的研究工作,利用分子束外延MBE技术制备了原子级平整的单晶超导Pb薄膜,并发现了宏观超导转变温度低于局域遂穿测试的超导能隙打开的温度,这一Kosterlitz-Thouless相变的典型特征。
  随后在美国宾夕法尼亚州立大学物理系Moses Chan院士研究组,赵维巍展开了拓扑绝缘体及低维超导中的量子效应研究工作,并凭借优异的学术表现,几年间迅速成长为可以独当一面的副研究员。接触到最前沿的研究,他不断提升自我创新的频率:开展量子反常霍尔效应的研究工作,最终成功开发了新型磁性拓扑绝缘体材料VSbBiTe薄膜,并在其中观测到了高精度的量子反常霍尔态,实现了零磁场下无损耗手性拓扑边态电流;经过反复尝试和实验成功研制了6毫米的超长超导纳米线,并进一步对超导纳米线中宏观量子遂穿进行了研究;在只有一个单层的FeSe/STO薄膜中观测到了电子从衬底向FeSe薄膜转移的直接证据,并证实电声子耦合与电子相互作用对高温超导转变具有双重提升作用。
  不过,尽管研究工作开展得风生水起,赵维巍脑海中归国的念头从未舍弃。他说:“出国,就是为了更好地回报祖国。我的人生观、世界观的建立都是在哈尔滨工业大学,‘规格严格,功夫到家’的校训不能丢,包括我从母校毕业后以及到美国的这几年,一直以来无论走到哪里,我觉得自己一直都受这种精神的激励。”他认为,这种影响已经渗透到血液里,从内而外,无论走到哪儿都是一种精神财富。而这种骨子里的潜移默化也促使他重新回到了“起点”。
  回国,毫不犹豫地选择哈尔滨工业大学深圳校区,赵维巍坦言:“新校区和老校区的精神和理念是一脉相承的,在一个新的平台上,我认为将拥有更多机遇和挑战,能够充分发挥所学和经验,大展拳脚。”同时他还表示,深圳被誉为创新之城,有着完善的自主创新政策法规,相对而言,创新资源、平台建设等方面也占据优势,“深圳的‘孔雀计划’,还有高层次人才计划,对于我个人还有团队的建设都有非常有力的经费支持和政策支持”。
  在入职1年多的时间里,赵维巍联合马星、张嘉恒、冯欢欢等多位具有海外深造经历的高端引进人才,组织成立了面向印刷电子产业和基础物理研究的创新团队。该团队人员短期内作为核心组成部分参与了“一种降低纳米金属颗粒烧结温度的方法”“一种基于改性柔性衬底的导电薄膜的制备方法”“一种氧化石墨烯自组装复合银纳米线改善柔性器件机械性能的方法”“一种磁性纳米墨水及磁性柔性电路或器件的制备方法”等多项专利研发工作,受到深圳市海外高层次人才“孔雀团队”计划、深圳市制造业十大扶持计划等项目的大力支持。
  

落地求真,放大产学研结合


  在与团队联合研发印刷电子的每一项工作当中,产学研结合是赵维巍不断提到的。一直以来,他的团队与科技型企业保持着密切的联系,积极洽谈合作布局,目的就是为了让更多的科技成果以产品的形式走进市场,为科技强国、科技健康做出贡献。
  从团队建立开始,每一位成员都在思考如何推进产学研合作发展,充分释放大学在创新驱动发展上的动力,以高水平的科研成果和高素质的创新人才来服务经济社会发展。参考欧美高校的科研管理制度、科技成果转化模式,他们认为“专业的产学研管理机构,可以提升高校科技成果的转化效率”“完善的激励与评价机制,有助于提高科技成果转化成功率”。在他们看来,结合实际情况,高校可以成立专门机构集中管理高校的科技成果,在校内整合资源,避免重复研发,提升科研效率与能力;在校外积极开拓市场,推广科研成果,提高产学研合作的成功率,发挥高校集体优势。与此同时,科研院校、课题组本身也要根据不同的学科发展特点探索科技成果转化的最佳模式,通过努力寻求政府支持,进驻创业园孵化等方法提高成果转化的成功率。
  从宏观的角度来看,国内高校产学研发展需要注重社会效益,还需要明确各方利益分配。赵维巍指出,效仿国际成功案例,管理层可以采用出台相关法案文件等积极有效的手段处理高校、企业、政府主体间利益牵扯,以及牵扯到的多重法律关系,从而增进社会共同财富。针对科研成果产业化所需的经费和精力支撑,他更是以自身团队课题为例阐述了科研成果产业转化面临的问题,表示:“目前科研成果成功实现产业化的一个弊端是,有产业化价值的项目在高校实验室完成初期实验后,院校很少有多余的资金来支持教师做进一步产业化的研究和推广,教师作为项目负责人需要争取更多社会资源取得进一步产业化试行的场所、资金。而围绕市场的产业化研究周期更长、技术成熟度要求更高。由于教师有其他项目和教学工作在身,时间精力有限,以市场为导向的技术需求则是希望越快越好,这也导致了高校的科研成果较难转化。”
  将基础研究技术和成果产业转化两手抓,让技术落地求真,赵维巍明白还需要克服的阻碍有很多。但这并不影响他和团队的信念,他们始终坚信:随着国家对产学研的重视程度不断加强,在相关政策的支撑引导下,伴随着法律机制的不断完善,凭借自身在人才科研方面的优势,依靠技术研发实力,我国高校、科研院所的科技成果转化效率将持续推高。
  
  
  
专家简介:
  
  赵维巍,现任哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院教授,博士生导师。2008年博士毕业于哈尔滨工业大学材料学院,后在中国科学院物理研究所/清华大学、美国宾夕法尼亚州立大学物理系开展低维电子材料制备与纳米功能器件电学行为的研究。熟练掌握柔性可穿戴电子设备所需的各项技术和性能测试手段,在纳米材料制备、纳米器件性能等方面具有丰富的研究经验。现已在国际学术刊物Nature Materials、Nature Physics、Science Advances、Nano Letters、Phys.Rev.Lett.等杂志发表学术论文30余篇,其中入选ESI高被引论文2篇,入选ESI热点论文1篇。曾获国防科学技术发明奖三等奖、黑龙江省高校科学技术奖一等奖等荣誉,拥有授权专利13项,包括美国专利1项。

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