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以科技创新 助力新材料产业链“上下沟通”

来源:  发布时间:2023-05-31

——记上海交通大学电子信息与电气工程学院副教授罗骋韬

王 辉

 

当你扭动开关打开煤气灶,当你用火机点燃一支香烟,当你乘坐高铁列车前往下一个城市……每当你享受这些习以为常的便利时,就有一块、甚至很多块压电材料在背后默默发挥着作用。

所谓压电材料,简单来讲就是受力发生形变时会产生电荷,受到电场激励时则产生机械形变的晶体材料。这两种变化中,前者被称为正压电效应,后者被称为逆压电效应。独特的压电效应使铁电材料拥有了“桥梁”的作用——通过它,人们得以实现力、电、热、光、声信号之间的转换,从而制作出传感器、换能器、致动器、自供电设备等。

1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现压电效应以来,各种压电材料层出不穷。目前,钙钛矿结构的铁电晶体是压电性能上的佼佼者,其相关研究至今仍热度不减。在科学仪器与工程领域深耕多年,上海交通大学电子信息与电气工程学院副教授罗骋韬对如何大幅提高现有铁电材料的压电响应、发展新一代高性能压电器件,进行了深入系统的研究。就像他所专注研究的材料那样,这个青年学者也致力于发挥“桥梁”作用——从技术层面助力材料上游制备与下游产业应用相连接,推动新的科研成果用更短的时间走进千家万户。

 

一次偶然的契机

 

罗骋韬与科研的不解之缘始于一个夏天,彼时是2009年,“未来应该选择怎样的道路”对当时还是复旦大学大二年级学生的他来说仍是一个未知。

当年7月,临近暑假的日子里,即便是晚风也仍旧带着烈日的余温。就是在这样一个时节,罗骋韬乘上了飞往美国弗吉尼亚州黑堡市的航班,准备参加弗吉尼亚理工大学的暑期交流学习活动。与大都市上海不同,弗吉尼亚理工大学所在的黑堡是一个不折不扣的学园小镇。谈及初次远离了国内城市喧嚣的异国之旅,罗骋韬的记忆中与科研有关的印象反而更加深刻。

在弗吉尼亚理工大学,他看到了尖端的设备和新奇的成果,更看到了一个课本难以展示的精彩世界的冰山一角。由此,他对科研事业产生了前所未有的强烈向往。在当时学习所在的课题组,他与团队导师相谈甚欢,并为其远见卓识深深折服。在数次对话中,罗骋韬初步明确了未来人生道路的方向。他说:“这次旅程,是我科研生涯的起点。”

罗骋韬对具体研究方向的选择,缘于对国内材料领域的发展状况的深入了解——先进基础材料多个领域产量世界第一,但品质不高、产能过剩;关键战略材料产业链上下游脱节、成套技术不完备,部分产品对外依存度高且受海外严格管制;前沿新材料擅长跟踪模仿,原始创新不足,转化率较低。以上几大问题横亘在新材料发展之路上,亟待解决。其中,罗骋韬尤其在意产业链上下游脱节的问题。因为这意味着很多花费巨大成本产出的科研成果“打了水漂”,是比“不会做”和“做不出来”更让人叹息和着急的事情。

单从技术层面来讲,造成上下游产业链脱节的原因主要在于,新材料产品从技术到商品需要跨越两个“死亡谷”。其一,是从技术端到产品端,即实验室研发的技术能否进行批量化生产,生产出来的产品是否稳定;其二,是指从产品端到商品端,产品是否具有足够的性价比,能否满足客户的不同需求。以第三代半导体材料碳化硅为例,因其性能优异,从理论上能够开发出更适应高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣条件的小型化功率半导体器件。但经过了数十年的研究发展,碳化硅功率器件领域至今仍然存在材料缺陷问题未完全解决、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装不能满足高频高温应用需求等共性问题,严重阻碍了碳化硅走向大规模产业化应用的步伐。

要想成功跨越两个“死亡谷”,打通材料产业链上下游之间的壁垒,分析材料性能、探索材料投产应用方法的中游工作必不可少。这是一个常常被忽略的环节,也是一个大有可为的环节。深思熟虑过后,罗骋决心投身其中,以科技创新助力我国新材料产业链“上下沟通”。

 

一鸣惊人的成果

 

2011年,罗骋韬以优异的成绩毕业于复旦大学材料物理系,随即获得美国弗吉尼亚理工大学全额奖学金,师从美国陶瓷学会电子部主席、国际著名铁电物理学家德怀特·维兰德(Dwight Viehland)教授——这正是罗骋韬大二参加交暑期流学习时所在课题组的导师。其间,罗骋韬还凭借自身优异的成绩获得了美国橡树岭国家实验室联合培养项目支持,在美国橡树岭国家实验室和美国阿贡国家实验室进行了近2年的研究工作。这段丰富经历使他在“如何由机理出发,发展高性能、绿色无铅化铁电材料”及“如何大幅提高现有铁电材料的压电响应、发展新一代高性能压电器件”等问题上有了新的发现。

为了验证落实自身的发现与设想,也为了实现最初的“产业化”梦想,博士毕业后,罗骋韬对研究重心进行调整,以博士后身份前往美国北卡罗来纳州立大学机械系从事铁电材料及器件的研制工作——这是他从新材料研究的中游探索转向下游研发的重要节点。

2017年,罗骋韬带领美国北卡罗来纳州立大学的研究小组,针对一种新型畴工程技术——交流极化,展开了其可靠性、可重复性和性能增强机理的研究工作,获得了大量第一手数据及对这一技术的深入理解:在交流极化技术机理研究方面,他们首次观察到了交流极化样品的精细铁电畴结构,首次提出“交流极化的机理讨论应从本征的铁电相结构特征与非本征的铁电畴结构特征分别出发”,初步建立了交流极化的静态结构-性能构效关系模型,提出交流极化对压电性能的提升源自于畴结构的重构与场致相变。不仅如此,罗骋韬还研究了不同压电振子形状下的交流极化特性,以及交流极化频率对交流极化的性能影响,由此发现交流极化对大尺寸单晶性能增强最为明显。而通过对电滞回线及其包含的铁电性能在交流极化过程中持续追踪,罗骋韬等人提出了交流极化中压电振子存在与其尺寸相关的本征频率,直接影响压电振子在交流极化后的矫顽场等铁电性能;针对交流极化与掺杂法的兼容性,以及交流极化饱和过程中的动态过程,证明了交流极化优异的应用潜力……基于这一系列研究,他们在完全没有改变材料组分的情况下,利用交流极化技术在铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)单晶压电性能上达到惊人的最高200%的跃升。这意味着对应压电器件的机电能量转换能力将大大提升,大幅提高所在应用对应的灵敏度或者输出功率;更意味着畴工程方法的高效率低成本优势打破了传统弛豫铁电单晶材料研发的一般规律。

要知道,传统弛豫铁电单晶材研究基本采用的是“掺杂法”,即从最上游的材料生长开始,通过更改“配料”来达到单晶改性等目的。每当需要不同的研究样本,就必须重走整个制备流程,不仅技术难度大,而且周期长、成本高。而罗骋韬提出的“通过交流极化技术改性”则具有可逆性——通过不同的极化方式调整材料性能得到不同数据后,还可以通过升温使材料“退极化”恢复到最原始的状态,从而达成单晶材料的循环利用。罗骋韬将这两种过程形象地比作电子产品“使用中”和“恢复出厂设置”,并指出:“诚然,交流极化技术与传统的掺杂法相比,也有其缺陷。比如退极化的过程中,总是难以避免材料中的某些属性下降,但经过进一步的研究,我们发现这种下降能够被精准控制,这就可以将原本的劣势转化为优势。与此同时,交流极化法和掺杂法能够互相兼容,如果同时使用两种手段,还能够实现互补,最大限度地弥补材料调控过程中的损失。”

这一系列原创成果,引起了国内外同行的强烈兴趣和密切关注。在2018年、2019年连续两届声传导材料和装置国际研讨会、2020年磁电多铁性和钙钛矿材料国际研讨会等国际会议中,罗骋韬都被邀请作了关于交流极化方面的研究报告,并得到了“为弛豫铁电单晶材料及新一代高性能超声换能器的发展带来了新的机遇”的高度评价。

 

一种必然的选择

 

正当罗骋韬在国际前沿领域大放异彩,各方橄榄枝纷至沓来时,他却毅然回到国内。对他来说,这是一种无须多虑的必然选择。

事实上,从决定走上科研道路之初,罗骋韬就一直更倾向于留在国内。但苦于当时的中国在新材料产业领域的发展相对滞后,一些研究所需的尖端仪器设备资源也十分有限,罗骋韬只得远赴海外求学,以期学成之后再做打算。可喜的是,这是一场国家和人才的“双向奔赴”。

在罗骋韬默默积累、奋力攀登的日子里,我国也相继出台各项政策大力支持新材料产业的发展。如2016年印发的《新材料产业发展指南》提出加快推动先进基础材料工业转型升级,大力推进材料生产过程中的智能化和绿色化改造,重点突破材料性能及成分控制、生产加工及应用等工艺技术;2017年印发的《“十三五”材料领域科技创新专项规划》提出重点发展基础材料技术提升与产业升级、战略性先进电子材料、材料基因工程关键技术与支撑平台、纳米材料与器件、先进结构与复合材料、新型功能与智能材料、材料人才队伍建设;2018年印发的《关于印发国家新材料产业资源共享平台建设方案的通知》提出围绕先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料等重点领域和新材料产业链各关键环节,基本形成多方共建、公益为主、高效集成的新材料产业资源共享服务生态体系……在相关政策支持下,我国新材料产业发展步伐持续加快、创新能力稳步增强、应用水平明显提升。这些现象,让始终关注国内发展的罗骋韬看到了中国产业转型升级的希望,也更加坚定了他回国发展的坚定决心。

2020年,罗骋韬加入上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系,再次调整自身研究工作的重心——在开展畴工程技术提高单晶材料性能的同时,他还和研究团队成员一起研究大幅度提高水声换能器的灵敏度、频率带宽、电声效率、能量密度、降低其体积重量的应用实践。作为项目负责人,他获得上海市2021年度“科技创新行动计划”扬帆计划项目支持;作为主要研发人员,他参与2021年国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”专项其中的子课题二等其他国家及企业科研合作项目。其中,在“基于声波新原理激励小型化天线技术”“多种压电换能器的应用与设计”等方面,已有多个阶段性成果产出。“背靠交大这个平台,我开始更多地参与到应用方面的研究工作中。”罗骋韬说,由于在博士后阶段,他就因导师的缘故,接触了不少面向下游医疗设备生产的应用型研究,“这些经验让我更明白下游需要什么样的材料,更关注哪些方面的指标;也让我更明确中游的材料优化、材料处理应该朝着哪个方向走才能更贴合下游需求,并帮助上游的新材料得到应用”。

初心易得,始终难守。在真正走上应用化道路,尝试打通新材料产业链上下游壁垒的过程中,罗骋韬必将迎来更多、更难、更意想不到的挑战。但他坚信,山再高,往上攀,总能登顶;路再长,走下去,定能到达。

(责编:黄雪霜)


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