王 輝

當(dāng)你扭動(dòng)開關(guān)打開煤氣灶，當(dāng)你用火機(jī)點(diǎn)燃一支香煙，當(dāng)你乘坐高鐵列車前往下一個(gè)城市……每當(dāng)你享受這些習(xí)以為常的便利時(shí)，就有一塊、甚至很多塊壓電材料在背后默默發(fā)揮著作用。

所謂壓電材料，簡單來講就是受力發(fā)生形變時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，受到電場激勵(lì)時(shí)則產(chǎn)生機(jī)械形變的晶體材料。這兩種變化中，前者被稱為正壓電效應(yīng)，后者被稱為逆壓電效應(yīng)。獨(dú)特的壓電效應(yīng)使鐵電材料擁有了“橋梁”的作用——通過它，人們得以實(shí)現(xiàn)力、電、熱、光、聲信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，從而制作出傳感器、換能器、致動(dòng)器、自供電設(shè)備等。

自1880年皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)以來，各種壓電材料層出不窮。目前，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電晶體是壓電性能上的佼佼者，其相關(guān)研究至今仍熱度不減。在科學(xué)儀器與工程領(lǐng)域深耕多年，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院副教授羅騁韜對(duì)如何大幅提高現(xiàn)有鐵電材料的壓電響應(yīng)、發(fā)展新一代高性能壓電器件，進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。就像他所專注研究的材料那樣，這個(gè)青年學(xué)者也致力于發(fā)揮“橋梁”作用——從技術(shù)層面助力材料上游制備與下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用相連接，推動(dòng)新的科研成果用更短的時(shí)間走進(jìn)千家萬戶。

一次偶然的契機(jī)

羅騁韜與科研的不解之緣始于一個(gè)夏天，彼時(shí)是2009年，“未來應(yīng)該選擇怎樣的道路”對(duì)當(dāng)時(shí)還是復(fù)旦大學(xué)大二年級(jí)學(xué)生的他來說仍是一個(gè)未知。

當(dāng)年7月，臨近暑假的日子里，即便是晚風(fēng)也仍舊帶著烈日的余溫。就是在這樣一個(gè)時(shí)節(jié)，羅騁韜乘上了飛往美國弗吉尼亞州黑堡市的航班，準(zhǔn)備參加弗吉尼亞理工大學(xué)的暑期交流學(xué)習(xí)活動(dòng)。與大都市上海不同，弗吉尼亞理工大學(xué)所在的黑堡是一個(gè)不折不扣的學(xué)園小鎮(zhèn)。談及初次遠(yuǎn)離了國內(nèi)城市喧囂的異國之旅，羅騁韜的記憶中與科研有關(guān)的印象反而更加深刻。

在弗吉尼亞理工大學(xué)，他看到了尖端的設(shè)備和新奇的成果，更看到了一個(gè)課本難以展示的精彩世界的冰山一角。由此，他對(duì)科研事業(yè)產(chǎn)生了前所未有的強(qiáng)烈向往。在當(dāng)時(shí)學(xué)習(xí)所在的課題組，他與團(tuán)隊(duì)導(dǎo)師相談甚歡，并為其遠(yuǎn)見卓識(shí)深深折服。在數(shù)次對(duì)話中，羅騁韜初步明確了未來人生道路的方向。他說：“這次旅程，是我科研生涯的起點(diǎn)?！?/p>

羅騁韜對(duì)具體研究方向的選擇，緣于對(duì)國內(nèi)材料領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r的深入了解——先進(jìn)基礎(chǔ)材料多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)量世界第一，但品質(zhì)不高、產(chǎn)能過剩；關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)業(yè)鏈上下游脫節(jié)、成套技術(shù)不完備，部分產(chǎn)品對(duì)外依存度高且受海外嚴(yán)格管制；前沿新材料擅長跟蹤模仿，原始創(chuàng)新不足，轉(zhuǎn)化率較低。以上幾大問題橫亙在新材料發(fā)展之路上，亟待解決。其中，羅騁韜尤其在意產(chǎn)業(yè)鏈上下游脫節(jié)的問題。因?yàn)檫@意味著很多花費(fèi)巨大成本產(chǎn)出的科研成果“打了水漂”，是比“不會(huì)做”和“做不出來”更讓人嘆息和著急的事情。

單從技術(shù)層面來講，造成上下游產(chǎn)業(yè)鏈脫節(jié)的原因主要在于，新材料產(chǎn)品從技術(shù)到商品需要跨越兩個(gè)“死亡谷”。其一，是從技術(shù)端到產(chǎn)品端，即實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的技術(shù)能否進(jìn)行批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是否穩(wěn)定；其二，是指從產(chǎn)品端到商品端，產(chǎn)品是否具有足夠的性價(jià)比，能否滿足客戶的不同需求。以第三代半導(dǎo)體材料碳化硅為例，因其性能優(yōu)異，從理論上能夠開發(fā)出更適應(yīng)高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣條件的小型化功率半導(dǎo)體器件。但經(jīng)過了數(shù)十年的研究發(fā)展，碳化硅功率器件領(lǐng)域至今仍然存在材料缺陷問題未完全解決、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應(yīng)用需求等共性問題，嚴(yán)重阻礙了碳化硅走向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的步伐。

要想成功跨越兩個(gè)“死亡谷”，打通材料產(chǎn)業(yè)鏈上下游之間的壁壘，分析材料性能、探索材料投產(chǎn)應(yīng)用方法的中游工作必不可少。這是一個(gè)常常被忽略的環(huán)節(jié)，也是一個(gè)大有可為的環(huán)節(jié)。深思熟慮過后，羅騁決心投身其中，以科技創(chuàng)新助力我國新材料產(chǎn)業(yè)鏈“上下溝通”。

一鳴驚人的成果

2011年，羅騁韜以優(yōu)異的成績畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)材料物理系，隨即獲得美國弗吉尼亞理工大學(xué)全額獎(jiǎng)學(xué)金，師從美國陶瓷學(xué)會(huì)電子部主席、國際著名鐵電物理學(xué)家德懷特·維蘭德（Dwight Viehland）教授——這正是羅騁韜大二參加交暑期流學(xué)習(xí)時(shí)所在課題組的導(dǎo)師。其間，羅騁韜還憑借自身優(yōu)異的成績獲得了美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合培養(yǎng)項(xiàng)目支持，在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了近2年的研究工作。這段豐富經(jīng)歷使他在“如何由機(jī)理出發(fā)，發(fā)展高性能、綠色無鉛化鐵電材料”及“如何大幅提高現(xiàn)有鐵電材料的壓電響應(yīng)、發(fā)展新一代高性能壓電器件”等問題上有了新的發(fā)現(xiàn)。

羅騁韜（中）指導(dǎo)學(xué)生

為了驗(yàn)證落實(shí)自身的發(fā)現(xiàn)與設(shè)想，也為了實(shí)現(xiàn)最初的“產(chǎn)業(yè)化”夢想，博士畢業(yè)后，羅騁韜對(duì)研究重心進(jìn)行調(diào)整，以博士后身份前往美國北卡羅來納州立大學(xué)機(jī)械系從事鐵電材料及器件的研制工作——這是他從新材料研究的中游探索轉(zhuǎn)向下游研發(fā)的重要節(jié)點(diǎn)。

2017年，羅騁韜帶領(lǐng)美國北卡羅來納州立大學(xué)的研究小組，針對(duì)一種新型疇工程技術(shù)——交流極化，展開了其可靠性、可重復(fù)性和性能增強(qiáng)機(jī)理的研究工作，獲得了大量第一手?jǐn)?shù)據(jù)及對(duì)這一技術(shù)的深入理解：在交流極化技術(shù)機(jī)理研究方面，他們首次觀察到了交流極化樣品的精細(xì)鐵電疇結(jié)構(gòu)，首次提出“交流極化的機(jī)理討論應(yīng)從本征的鐵電相結(jié)構(gòu)特征與非本征的鐵電疇結(jié)構(gòu)特征分別出發(fā)”，初步建立了交流極化的靜態(tài)結(jié)構(gòu)-性能構(gòu)效關(guān)系模型，提出交流極化對(duì)壓電性能的提升源自于疇結(jié)構(gòu)的重構(gòu)與場致相變。不僅如此，羅騁韜還研究了不同壓電振子形狀下的交流極化特性，以及交流極化頻率對(duì)交流極化的性能影響，由此發(fā)現(xiàn)交流極化對(duì)大尺寸單晶性能增強(qiáng)最為明顯。而通過對(duì)電滯回線及其包含的鐵電性能在交流極化過程中持續(xù)追蹤，羅騁韜等人提出了交流極化中壓電振子存在與其尺寸相關(guān)的本征頻率，直接影響壓電振子在交流極化后的矯頑場等鐵電性能；針對(duì)交流極化與摻雜法的兼容性，以及交流極化飽和過程中的動(dòng)態(tài)過程，證明了交流極化優(yōu)異的應(yīng)用潛力……基于這一系列研究，他們在完全沒有改變材料組分的情況下，利用交流極化技術(shù)在鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）單晶壓電性能上達(dá)到驚人的最高200%的躍升。這意味著對(duì)應(yīng)壓電器件的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換能力將大大提升，大幅提高所在應(yīng)用對(duì)應(yīng)的靈敏度或者輸出功率；更意味著疇工程方法的高效率低成本優(yōu)勢打破了傳統(tǒng)弛豫鐵電單晶材料研發(fā)的一般規(guī)律。

要知道，傳統(tǒng)弛豫鐵電單晶材研究基本采用的是“摻雜法”，即從最上游的材料生長開始，通過更改“配料”來達(dá)到單晶改性等目的。每當(dāng)需要不同的研究樣本，就必須重走整個(gè)制備流程，不僅技術(shù)難度大，而且周期長、成本高。而羅騁韜提出的“通過交流極化技術(shù)改性”則具有可逆性——通過不同的極化方式調(diào)整材料性能得到不同數(shù)據(jù)后，還可以通過升溫使材料“退極化”恢復(fù)到最原始的狀態(tài)，從而達(dá)成單晶材料的循環(huán)利用。羅騁韜將這兩種過程形象地比作電子產(chǎn)品“使用中”和“恢復(fù)出廠設(shè)置”，并指出：“誠然，交流極化技術(shù)與傳統(tǒng)的摻雜法相比，也有其缺陷。比如退極化的過程中，總是難以避免材料中的某些屬性下降，但經(jīng)過進(jìn)一步的研究，我們發(fā)現(xiàn)這種下降能夠被精準(zhǔn)控制，這就可以將原本的劣勢轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。與此同時(shí)，交流極化法和摻雜法能夠互相兼容，如果同時(shí)使用兩種手段，還能夠?qū)崿F(xiàn)互補(bǔ)，最大限度地彌補(bǔ)材料調(diào)控過程中的損失。”

這一系列原創(chuàng)成果，引起了國內(nèi)外同行的強(qiáng)烈興趣和密切關(guān)注。在2018年、2019年連續(xù)兩屆聲傳導(dǎo)材料和裝置國際研討會(huì)、2020年磁電多鐵性和鈣鈦礦材料國際研討會(huì)等國際會(huì)議中，羅騁韜都被邀請(qǐng)作了關(guān)于交流極化方面的研究報(bào)告，并得到了“為弛豫鐵電單晶材料及新一代高性能超聲換能器的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇”的高度評(píng)價(jià)。

一種必然的選擇

正當(dāng)羅騁韜在國際前沿領(lǐng)域大放異彩，各方橄欖枝紛至沓來時(shí)，他卻毅然回到國內(nèi)。對(duì)他來說，這是一種無須多慮的必然選擇。

事實(shí)上，從決定走上科研道路之初，羅騁韜就一直更傾向于留在國內(nèi)。但苦于當(dāng)時(shí)的中國在新材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)滯后，一些研究所需的尖端儀器設(shè)備資源也十分有限，羅騁韜只得遠(yuǎn)赴海外求學(xué)，以期學(xué)成之后再做打算?？上驳氖牵@是一場國家和人才的“雙向奔赴”。

在羅騁韜默默積累、奮力攀登的日子里，我國也相繼出臺(tái)各項(xiàng)政策大力支持新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如2016年印發(fā)的《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》提出加快推動(dòng)先進(jìn)基礎(chǔ)材料工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，大力推進(jìn)材料生產(chǎn)過程中的智能化和綠色化改造，重點(diǎn)突破材料性能及成分控制、生產(chǎn)加工及應(yīng)用等工藝技術(shù)；2017年印發(fā)的《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》提出重點(diǎn)發(fā)展基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)升級(jí)、戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料、材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)、納米材料與器件、先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料、新型功能與智能材料、材料人才隊(duì)伍建設(shè)；2018年印發(fā)的《關(guān)于印發(fā)國家新材料產(chǎn)業(yè)資源共享平臺(tái)建設(shè)方案的通知》提出圍繞先進(jìn)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料等重點(diǎn)領(lǐng)域和新材料產(chǎn)業(yè)鏈各關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基本形成多方共建、公益為主、高效集成的新材料產(chǎn)業(yè)資源共享服務(wù)生態(tài)體系……在相關(guān)政策支持下，我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐持續(xù)加快、創(chuàng)新能力穩(wěn)步增強(qiáng)、應(yīng)用水平明顯提升。這些現(xiàn)象，讓始終關(guān)注國內(nèi)發(fā)展的羅騁韜看到了中國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的希望，也更加堅(jiān)定了他回國發(fā)展的堅(jiān)定決心。

2020年，羅騁韜加入上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與工程系，再次調(diào)整自身研究工作的重心——在開展疇工程技術(shù)提高單晶材料性能的同時(shí)，他還和研究團(tuán)隊(duì)成員一起研究大幅度提高水聲換能器的靈敏度、頻率帶寬、電聲效率、能量密度、降低其體積重量的應(yīng)用實(shí)踐。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，他獲得上海市2021年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”揚(yáng)帆計(jì)劃項(xiàng)目支持；作為主要研發(fā)人員，他參與2021年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”專項(xiàng)其中的子課題二等其他國家及企業(yè)科研合作項(xiàng)目。其中，在“基于聲波新原理激勵(lì)小型化天線技術(shù)”“多種壓電換能器的應(yīng)用與設(shè)計(jì)”等方面，已有多個(gè)階段性成果產(chǎn)出?！氨晨拷淮筮@個(gè)平臺(tái)，我開始更多地參與到應(yīng)用方面的研究工作中?！绷_騁韜說，由于在博士后階段，他就因?qū)煹木壒?，接觸了不少面向下游醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)的應(yīng)用型研究，“這些經(jīng)驗(yàn)讓我更明白下游需要什么樣的材料，更關(guān)注哪些方面的指標(biāo)；也讓我更明確中游的材料優(yōu)化、材料處理應(yīng)該朝著哪個(gè)方向走才能更貼合下游需求，并幫助上游的新材料得到應(yīng)用”。

初心易得，始終難守。在真正走上應(yīng)用化道路，嘗試打通新材料產(chǎn)業(yè)鏈上下游壁壘的過程中，羅騁韜必將迎來更多、更難、更意想不到的挑戰(zhàn)。但他堅(jiān)信，山再高，往上攀，總能登頂；路再長，走下去，定能到達(dá)。