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宾州州立大学在读博士张磊发现新材料钒酸锶(钙) 可使屏幕更高效廉价
宾州州立大学在读博士张磊发现新材料钒酸锶(钙) 可使屏幕更高效廉价
2015/12/23 17:42:42 | 浏览:2623 | 评论:0

智能手机和超大尺寸平板电视越来越受欢迎,而传统的显示屏制作材料价格却急剧攀升,找到可以替代的新材料迫在眉睫。12月14日,宾州州立大学张磊以第一作者身份,在线发表在《自然·材料》上的一篇研究成果报告成功地预测和证实了一类新材料,他发现的新材料有潜力减少现有显示屏95%以上的材料成本,且导电透光性能更强。这项研究成果的发表引发了世界关注。

宾州州立大学在读博士张磊发现新材料钒酸锶(钙) 可使屏幕更高效廉价

  作为一名在读博士,他并非一直埋头做科研,在经历读研工作之后,他更清楚地认准了未来的目标,他笑称自己是“非典型”博士。

  初中就心怀科研梦想

  张磊是土生土长的武汉人,生于1985年的他,从读初中时开始,就对物理学非常感兴趣。在初中毕业的暑假,一本叫做《十大物理学家》的科普读物深深吸引了他,书中记载的十个物理科学家推动人类社会科技进步的故事让他深受感动。

  没有任何的犹豫,高考时张磊直接填报了武汉大学物理学系。2007年,张磊从武汉大学物理系本科毕业后,收到全额奖学金的他赴美,在亚利桑那州立大学就读研究生。

  然而进入研究所后,张磊却遇到了困惑,他发现很多教授的研究与实际有些脱节,很多研究者甚至都不能明确说出他们的研究动机和具体想解决的问题。此时,学校向他提供了一个来自美国能源部太阳能项目的研究机会。

  “目的性明确,实际价值与科学研究结合得更好,于是我加入了他的课题组。研发新的材料促进能源和信息产业的发展,成了我新的目标。”张磊说道。

  硕士毕业后,张磊面临两个选择:一是导师推荐他加入位于旧金山湾区硅谷的一家太阳能电池初创公司,继续高效太阳能电池的研发;二是英特尔公司位于凤凰城研发中心向他发出了现场面试邀请。

  在硅谷,面试他的初创公司联合创始人约瑟夫·巴赫博士对于科学技术和生产实践的联系的理念与张磊的想法不谋而合,两人在他入住的酒店吧台相聊甚欢,一直聊到深夜11点。巴赫博士当场录取了他。

  回到凤凰城后,张磊婉拒了英特尔公司的现场面试邀请,来到了加州被称为硅谷心脏的桑尼韦尔市。张磊的很多同事都曾在英特尔、应用材料、高通和波士顿咨询等公司担任过高管并有着丰富的阅历。“这应该是我学习提高最快的两年。”张磊说到。公司于2011年得到了世界银行成员国际金融公司的入股,在浙江嘉兴正式筹建耗资5000万美元的工厂。由于在公司表现优异,张磊于2011年升任高级工艺整合工程师,并于随后年多次回国,帮助公司建立了测试检验中心,用于质量控制,大大提高了产品良率。

  不走寻常路发现新材料

  “英语里喜欢说Thinking outside the box,很多时候,解决问题需要独辟蹊径,不走寻常路。”在硅谷工作的两年里,张磊认识到:“改良”和“改进”成本比较小,失败可能性小,但是提高却往往有限。而创新式的“改革”正是学校可以做的,学校有经费有人才,而且科研人员拥有的灵活度更大。

  2012年夏天,张磊放弃前景光明的事业,选择了重新回到校园,到材料方向久负盛名的宾州州立大学攻读材料工程博士学位。公司董事会主席、美国电子电气工程师协会院士阿肖克·辛哈博士,和公司中国区总裁,国家“千人计划”专家赖磊平博士再三挽留。但是他们听了张磊的想法后,都表示支持,同时给予其丰厚的股权奖励。

  重回学校的张磊,把研究目标放在了透明导电薄膜上。“在以前的工作中,透明导电薄膜在高效能太阳能电池产品成本中占了极大的比重。我们花了很大力气改良铟锡氧化物材料,效果有限,而目前潜在的替代材料在性能和工业生产可行性上还有差距。”张磊说,“特别是,透明导电材料最大的应用是平板显示,大屏手机成了如今市场的主导,但目前的手机屏幕,比如苹果手机的触摸屏模块占据了40%的生产成本。手机屏幕使用的材料主要是铟锡氧化物,铟矿不易开采,价格高于金属银,售价大约是每公斤750美元。未来智能手机和平板显示器因为大尺寸效应,还会变得越来越昂贵。同时,大尺寸平板电视也需要更导电的材料,而便携设备需要更透光的材料。铟锡类氧化物材料已经被研究了60年,性能提升空间也非常有限。”

  什么样的材料才能实现导电性能更强透明度更高呢?张磊打破常规,大胆尝试新的材料。传统的科研人员认为,设计透明导电薄膜,要从“玻璃”材料(宽禁带半导体,比如铟锡类氧化物)出发,进行“掺杂”加入电子让它导电。张磊却琢磨:能不能有一种金属,从良导体出发,让它变得透明呢?但这一观点在早期却被很多人质疑和否定。但张磊顶住压力,一开始就将寻找的材料锁定在强关联金属上。强关联金属在研究人员的传统观念中,主要是用来研究电磁材料和高温超导体的,从来没有人尝试将其用于透明导电薄膜。

  在研究过程中,张磊每天会在实验室待上10个小时以上。有时因为实验过程中专注和兴奋,也渐渐忘了时间,不经意“熬”了通宵。张磊所在的学校凌晨2至4点不让停车,在2014年夏天,张磊曾为此收到学校的4张停车罚单。随后,导师破例为他向学校后勤部门申请了24小时停车牌。

  功夫不负有心人,在2014年底,张磊终于合成了钒酸锶(钙)这种新的材料。“钒的售价为大约是每公斤25美元,而钙锶比钒更为廉价。”该项研究成果可以使大屏幕显示器、智能窗、触摸屏和太阳能电池更加高效和廉价。

  展望未来科研之路:一切才刚刚开始

  从入校开始,张磊很多时间都花在实验室中,很少休息。俗话说 “光说不练假把式,光练不说傻把式”。张磊认为,早期的科研过程中,往往会遇到很多失败,所以保持良好的心态和导师、同事之间的良好沟通非常重要。这也是得益于他在公司里工作的习惯。他说:“我目前研究的成功得益于有个好导师。总结失败的教训和与导师包括同学的沟通,是和做实验同等重要的事情。”

  张磊说,他的科研之路和绝大部分的科研学者不太一样。“我接受采访是有一些犹豫的。我的湖北同学中已有不少是知名大学的教授或者是国家‘千人计划’专家了。我只是觉得可以和听惯了‘学霸’故事的读者,特别是对科研感兴趣的朋友,分享一点我自己的科研历程,找到一条适合自己的道路,坚持走下去。”张磊说。

  “我的科研之路才刚刚开始”,张磊表示,自己的目标是做一名高校的老师,做有影响力的科研。他曾经和宾州州立大学材料工程系主任加里·梅辛教授请教过,知名高校的材料系会怎么样录取教职申请者? 梅辛教授的回答是“申请者的阅历、经历、潜力和独立工作的能力,比有影响力的论文更重要”。张磊说:“我会尽量在这个方面努力,我也希望未来能更好地结合科学研究和实际技术需求,促进产学研的共同发展。”

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