峰回路轉辟新疆勠力同心踐實創
——記哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院教授趙維巍

2018-02-26 06:50:42劉玉杰

科學中國人 2018年24期

關鍵詞：研究

□ 劉玉杰

專家簡介：

趙維巍，現任哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院教授，博士生導師。2008年博士畢業于哈爾濱工業大學材料學院，后在中國科學院物理研究所/清華大學、美國賓夕法尼亞州立大學物理系開展低維電子材料制備與納米功能器件電學行為的研究。熟練掌握柔性可穿戴電子設備所需的各項技術和性能測試手段，在納米材料制備、納米器件性能等方面具有豐富的研究經驗。現已在國際學術刊物Nature Materials、Nature Physics、Science Advances、Nano Letters、Phys.Rev.Lett.等雜志發表學術論文30余篇，其中入選ESI高被引論文2篇，入選ESI熱點論文1篇。曾獲國防科學技術發明獎三等獎、黑龍江省高校科學技術獎一等獎等榮譽，擁有授權專利13項，包括美國專利1項。

2008年，留在趙維巍人生履歷上的是一次堪稱冒險的決定，不過時至今日，他更愿意用“沒想到的10年”來給自己的峰回路轉做一個小結。

那一年從哈爾濱工業大學材料學院順利獲得博士學位后，他轉道進入中國科學院物理研究所/清華大學，完成了一次從“焊接”到“物理”的跨界冒險。對于這個不尋常的舉動，趙維巍的解釋是“焊接不同于簡單的材料連接，要講究很多新方法去控制、去嘗試。這里面涉及很多科學問題，而且所有這些科學問題其中的一點就是材料的表面問題和界面問題”。如何將表面變成界面，怎樣把多個表面連接成一個界面，恰好涉及深層次的低維物理問題。

材料焊接和低維物理研究互為支撐，順理成章，趙維巍為了更深入地去研究焊接和表面物理問題，于2011年前往美國賓夕法尼亞州立大學物理系深造。5年后再次回到哈爾濱工業大學（深圳），他實現了將物理機理性知識融入材料加工學科，乃至量子、印刷電子及柔性電子器件產業的聯合發展。“回國1年多的時間里，我一直在思考一些事情，那就是怎樣把后期在低維物理方面的收獲和最早學到的材料加工基礎有機地結合起來。”

如今，比起談跨界轉折過程中的磨礪、阻礙，趙維巍更喜歡講一講學科交叉帶來的好處，談一談團隊建設和正在開展的產業化進程。他說：“在推動產學研發展的過程中，我們想要做出一些成績。印刷電子材料研發是一方面，基于新材料的產品器件研發是另一方面，我特別希望的是成果可以在未來實現應用，能夠看到實實在在的、投入市場的墨料和產品器件……”

審時度勢，新需求力促新發展

印刷術古來有聞，作為中國四大發明之一可以說是聲名遠播。那么，將傳統印刷與現代電子相結合又會出現怎樣的效果？印刷電子學順勢而生，這是一門利用傳統的印刷技術制造電子器件、系統的科學與技術。

簡單來說，印刷電子技術是基于印刷原理的電子制造技術。得益于20世紀70年代，以低成本制造為最終目的的有機電子學發展，順應2000年之后，全球性納米技術的研究熱潮，印刷電子學逐漸形成了獨立的學科與技術領域。“納米材料本身的性質賦予了印刷圖案結構電荷傳輸性能、介電性能或光電性能，從而形成各種半導體器件、光電與光伏器件，真正體現出印刷技術作為一種低成本電子制造技術的優越性。”《2017印刷電子產業白皮書》中如是記述。對此，趙維巍解釋說：“印刷電子采用的主要材料其實就是電子漿料。這種漿料同雜志、報紙、海報等紙質印刷漿料類似，只不過是具備了導電、導磁和發光等一系列特殊功能。”

深圳市“孔雀團隊”成員合影

長期以來，隨著納米技術的成熟以及材料領域的不斷演化，越來越多的人注意到印刷電子研究，并且相繼投身其中。所以，2009年后，國際上開始出現了以印刷電子為專題的國際學術會議；2011年，國外塑料電子雜志Plastic Electronics專文介紹了納米材料在印刷電子技術中的應用前景；2012年，國際印刷電子標準委員會成立，成為國際電工委員會IEC下屬的一個新的標準化制定組織……與此同時，多個工業發達國家包括委員會意識到印刷電子的重要性，陸續開始了與其技術研發相關的政府研究計劃，譬如：2009年英國成立了國家印刷電子中心，2010年韓國也設立了國家印刷電子中心，2011年日本成立了日本先進印刷電子技術研究協會等。

這些年間，盡管印刷電子元器件和產品在分辨率、集成度、信息容量等方面尚未達到傳統硅基微電子器件的應用水準，但工業界與科技界對它的關注度與日俱增。顯然，這與印刷電子工藝技術顯著的節約資源能力、綠色環保價值及成本價格低廉有著很大的關系。

相對于主流電子元器件和產品在制造過程中，工藝復雜、原材料損耗嚴重、設備投資過大和存在重污染等問題，印刷電子工藝技術除了具有生產工藝簡單、原材料損耗較低等特點，還可以實現大面積、輕質、柔軟化、低成本生產。不僅如此，作為常溫印刷工藝，印刷電子能夠顯著降低熱能耗，有利于選擇耐熱性差、低成本的塑料薄膜、紙張與纖維布料等柔性材料。作為綠色制造技術，它又能夠消除多數基于化學蝕刻工藝帶來的廢液排放等問題，通過采用具有良好降解性的有機功能材料與基材，從根源上徹底解決電子產品帶來的環境污染問題。因此，不管是從印刷電子技術本身彰顯的特殊優勢和發展潛力考慮，還是由市場角度衡量它廣闊的前景，印刷電子技術已經被各個國家和地區視為“未來電子產業發展的革命性解決方案”。

正是考慮到自身的研發背景和印刷電子產業的時代趨向性，自2016年回國，在哈爾濱工業大學大力支持印刷電子研究發展的情況下，趙維巍毫不遲疑地抓住時機。他拉來師兄弟和朋友組建起一支具備海外研學經驗、多專業基礎的年輕化隊伍，立足印刷電子關鍵材料和器件研發，全身心地投入到印刷電子墨料和微納印刷電子等研究當中。

柔性可穿戴器件的關鍵材料

“印刷電子墨料是柔性可穿戴電子器件的核心技術領域。迅速增加的市場以及應用對柔性可穿戴電子器件的導電顆粒墨料，在新環境下提出了新的要求：更高的安全性、成本低、適合速打印、更高的印刷分辨率、與基板更好的附著力、具有更多功能性等。”趙維巍說。

作為一種新興電子技術，柔性可穿戴電子技術突破了傳統硅基電子制造的技術壟斷，實現了在柔性的基板材料上制備功能器件。它創新采用傳統印刷技術制造各種器件，憑借獨特的柔性、可延展性，以及高效、低成本的制造技術工藝，在信息、能源、醫療、國防等領域擁有了廣泛的應用前景。“應用于柔性儲電材料，諸如有機光伏電池、銅銦鎵硒光伏電池等；應用于柔性印刷傳感器中，直接推動運動檢測以及血糖指標體外檢測技術和市場的發展；應用于有機圖像傳感器內，可實現高分辨率柔性圖像傳感器；應用于物聯網里的射頻識別系統，采用抗氧化納米銅墨水與紙基載體，通過印刷工藝實現卷對卷的大量生產低價格的RFID標簽……”不同的應用帶來不一樣的效果反饋，但顯而易見的增益結果是有目共睹的。

除此之外，近幾年間，柔性電子器件的市場規模和拓展領域快速發展，據施樂帕克研究中心的市場分析報告顯示：2016年年底，柔性電子的市場規模已達到450億美元。而呈現這樣的調查結果，其中作為關鍵材料，具有光學、電學等特殊功能的電子墨粒自然功不可沒。

鑒于市場的發展需要，同時為了柔性可穿戴電子器件的進一步優化，在今天，開發新型復合柔性印刷電子墨料被視作重中之重。“目前現有印刷電子導電墨料主要以銀、銅、鎳以及石墨粉末主導市場。所有金屬中，銀具有最佳的導電性和耐氧化性，在市場上也占有主導地位，達到了上億元的市場份額。但是，銀的價格昂貴，而且存在電遷移等安全隱患，在一定程度上限制了這種導電墨料的使用。”從趙維巍的介紹中了解到，為了降低成本并提高使用安全性，日本、歐盟等部分國家較早地開展了低價導電墨料的研究，希望通過降低成本價格盡快推廣印刷電子的商業化應用。

與此同時，相關從業研究人員也不乏各種嘗試。其中，考慮到材料本身的物理性質，他們使用銅或者鎳作為導電顆粒，但卻因為銅顆粒易氧化產生絕緣層，鎳的硬度過高而不得不放棄。“這兩種材料除了不適合實際加工，導電性能比較低，同時燒結溫度也比較高。”燒結溫度，一種代表著耐火物料通過燒結達到性能最優時的溫度，倘若過高便意味著需要付出更高的燒結成本，這與降低成本的初衷相違背。

趙維巍

在認識到研發新型復合納米墨料的迫切形勢后，同時基于對可穿戴設備耐熱性有待強化的了解，趙維巍團隊積極投入到新型復合納米墨料的研發，旨在消除可穿戴設備的安全隱患，發現耐高溫、安全性能高的印刷導電材料替代品。瞄準離子液體電解質墨料和銀包覆賤金屬納米顆粒導電墨料，他們依托哈爾濱工業大學深圳校區，憑借過硬的制備柔性檢測芯片、柔性儲能器件技術和豐富的專業實踐經驗，開展有源檢測芯片（包括安全可穿戴柔性儲能器件和安全柔性檢測芯片）的制備，并進一步將新材料應用到器件中進行安全性與可行性的原理驗證。“比如說，現有的銅或鎳納米墨料抗氧化性和燒結性能差，我們就先用銀包覆一層，讓它形成‘外銀內銅’或者是‘外銀內鎳’的穩定復合納米顆粒墨料。之后再將包覆金屬（銅或鎳）的納米顆粒墨料應用到柔性生物醫學傳感器件裝配當中，驗證新開發材料在檢測芯片中應用的安全性與可行性。”而離子液體電解質墨料的研究方面，在全面摸清現有有機電解質材料不耐高溫狀況下，趙維巍表示會采用離子液體作為耐高溫的電解質材料，并嚴格遵循驗證程序，將離子液體電解質應用到柔性儲能設備的裝配中，進而確定新材料在有源檢測芯片中的可行性報告。

正在實驗室從事科學研究

反復的實驗驗證保證了新材料開發的可靠性，也間接地提升了后續材料投產的實踐效率。而這一點，早在趙維巍團隊確立“以柔性可穿戴電子器件中復合納米顆粒設計為起點，到可穿戴器件產品實現初步產業化為結束”的研發目標之初，就已經考慮在內。他們始終記得，不滿足實驗室的空間，不滿足單一的原料生產，而是要走向產業化的大格局。也因此，在準確把握國際電子制造科學與技術發展路線圖的前提下，在深圳市產業發展面臨資源成本上升、環境約束強化等現狀下，趙維巍帶領團隊結合地方信息技術及新材料技術等戰略新興產業發展特點，及時跟蹤印刷電子技術的國際前沿領域發展動態，極力推進具有自主知識產權的核心共性技術的形成。

他說：“依托柔性印刷電子技術研究中心建立孵化器和科技公司，我們希望最終建設出業界知名的柔性可穿戴設備和關鍵材料生產、研發國家級高新企業。這將對深圳乃至全國電子、信息、材料及其系統制造產業的發展，都會產生重要作用。”

微納印刷電子的醫學價值

如果說印刷電子墨料是面向器件應用的基礎材料研究，那么，從側重材料到注重醫學檢測芯片產品，趙維巍跨出了更接近市場的一步。

“在完成初步的新材料構建后，印刷電子的研究最終還是需要落實到器件上，需要我們做出符合實際的產品。”趙維巍說，真正打造一個功能器件僅僅依靠材料完全不夠，要講求章法，考慮納米材料的結合性、材料的固化和燒結等因素。“我們需要搞清楚，這些納米功能性顆粒究竟怎樣排兵布陣才會形成真正有用的納米線。”

于是，深入調查市場需求，綜合運用前期研究積累，他們開啟了“基于微納印刷電子的紙基生物醫學檢測芯片研究與開發”課題的大門。“傳統器件多為半導體材料，并不利于環境可持續發展的推行。而印刷電子器件不同，它未來的發展肯定是柔性的、輕質的、可降解的和環境友好的，更甚至是一次性的也有可能。”在趙維巍看來，印刷電子功能性器件有著其他材料器件不可比肩的優勢。而這其中的紙基和布基器件，對他而言更是特別的存在。

“我們與一些上市公司展開合作，考慮著是否能夠開發部分紙基芯片代替傳統的電化學芯片。”在尋找要替換的芯片期間，趙維巍基于對我國慢性糖尿病人群基數的認識做出決定，當即開展糖尿病即時檢測芯片轉向紙質化的研究。“我國慢性病患者人群基數非常大，且近年來患病率不斷增加。根據《中國居民營養與慢性病狀況報告（2015年）》和國際糖尿病聯盟（IDF）公布的數據，中國現有確診慢性病患者近3億人，其中糖尿病患者數已達1.1億，居全球首位。并且，慢性病的治療對患者平日自我管理的要求較高，患者需要高頻率、長時間的病程監測，來針對性地調整治療和用藥方案。在此前提下，家用即時檢測醫療設備（POCT）的使用成為最大限度地解決慢病自我管理問題的途徑，為患者節省就醫的經濟和時間成本。”

據趙維巍介紹，從使用程度而言，P O C T廣泛應用在基層診所和患者家中。近年來，由于國內POCT市場增速較快，連續多年高于國際增長水平，穩定保持在20%～30%的漲幅之間。從結構來看，POCT產品由試紙和儀器組成，被廣泛應用于血糖、尿酸及心臟標志物等體外快速診斷領域。但是，傳統的POCT試紙即檢測芯片是一種電化學傳感芯片，由PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）基材等材料制成，成本相對較高。“用紙基代替PET主要是基于兩點考慮，一個自然是成本問題。若采用普通紙基材料（如A4紙）取代PET基板的工藝制程，單品消耗的材料費成本可降低至1/10左右。也就是說，每使用一個產品大約能夠節約1分錢。可能1分錢單獨看起來并不顯眼，但對于龐大的糖尿病人群來講，整體的就醫成本可以節省出很大一部分。另外，從環境保護的角度來說，紙制品有一定的回收利用價值，同時還避免了生產化工材料過程中造成的污染問題。”他還強調，紙基材料具備了檢測速度快、操作簡便、可便攜、較好的生物相容性等優點，在運輸、處理方面可以有效減少資金和人力的投入比例。

如今，全球每年的電化學生物芯片的使用總量已超過1000億張，在注重紙基生物醫學傳感芯片大規模產業化同時，全球范圍內的科研機構和產業界對紙基生物醫學傳感芯的基礎研究也投入了大量的科研力量。這主要是由于現有紙基傳感器的加工工藝并不完備。因為目前紙基芯片上電化學反應微電路的加工仍然依賴于光刻、噴蠟打印等技術，使得加工成本較高、打印精度低、檢測精度低、服役穩定性較差等問題普遍存在。因此在現階段，科研機構和產業界也只能描摹著紙基生物醫學芯片的廣闊前景，卻無法踏出最后一步——大規模商業化應用。

“此次，圍繞基于微納印刷電子的紙基生物醫學檢測芯片，我們開展了三方面的研究：一是討論電路元器件的實現方法，我們進行了從開發具有生物相容性的導電墨料，到制備低成本、高性能的導電墨料等一系列探討；二是關于紙基生物醫學檢測芯片設計方法，我們思考在保證穩定服役性的狀態下，該使用怎樣的技術方法，選用哪種紙張；三是芯片人機交互智能系統的設計方法，在獲得芯片后，與智能手機等設備連接，將數據處理、顯示和人機交互通過應用程序完成，從而實現芯片的智能化。”經過前期的人力、資金和設備投入，在哈爾濱工業大學深圳校區柔性印刷電子技術研究中心的支持下，趙維巍團隊的攻關研究卓有實效。他們不但首次突破性地采用微納印刷電子技術加工紙基芯片，實現了紙基芯片上的高精度檢測微電路，提高了紙基芯片的檢測精度，同時還提高了芯片的服役穩定性。

“目前，檢測芯片已達到中試階段。我們也與上市公司達成合作意向，將在葡萄糖尿酸檢測領域開展合作研究，利用印刷電子技術開發紙基生物芯片技術。此外，后續研究開發的新型多功能生物墨水也將直接與產業應用對接，實現產學研的緊密無縫對接，徹底打通科技成果轉化渠道。”趙維巍笑著說道。

歷久彌新，重踏故土展新章

趙維巍不止一次談到，材料加工和低維物理的交叉融合對他開展印刷電子研究工作的幫助。回顧“轉專業”的重要決定，他表示，當初從零開始，完全從焊接轉到物理，自己其實已經做好了充分的思想建設：“一點一滴地學起，我相信只要有心，踏踏實實地不斷積累，一定會有所收獲。事實證明我的選擇是正確的，辛苦沒有白費。”

從本科學習到博士學位攻讀，趙維巍在哈爾濱工業大學待了11個年頭，把材料研究基礎夯實得足夠穩固。2008年11月，告別母校，告別焊接研究，他進入由薛其坤院士、馬旭村研究員帶領的研究組，從事量子功能薄膜材料的制備及量子效應研究。這期間，他積極開展量子材料相關的研究工作，利用分子束外延MBE技術制備了原子級平整的單晶超導Pb薄膜，并發現了宏觀超導轉變溫度低于局域遂穿測試的超導能隙打開的溫度，這一Kosterlitz-Thouless相變的典型特征。

課題組成員合影

隨后在美國賓夕法尼亞州立大學物理系Moses Chan院士研究組，趙維巍展開了拓撲絕緣體及低維超導中的量子效應研究工作，并憑借優異的學術表現，幾年間迅速成長為可以獨當一面的副研究員。接觸到最前沿的研究，他不斷提升自我創新的頻率：開展量子反常霍爾效應的研究工作，最終成功開發了新型磁性拓撲絕緣體材料VSbBiTe薄膜，并在其中觀測到了高精度的量子反常霍爾態，實現了零磁場下無損耗手性拓撲邊態電流；經過反復嘗試和實驗成功研制了6毫米的超長超導納米線，并進一步對超導納米線中宏觀量子遂穿進行了研究；在只有一個單層的FeSe/STO薄膜中觀測到了電子從襯底向FeSe薄膜轉移的直接證據，并證實電聲子耦合與電子相互作用對高溫超導轉變具有雙重提升作用。

不過，盡管研究工作開展得風生水起，趙維巍腦海中歸國的念頭從未舍棄。他說：“出國，就是為了更好地回報祖國。我的人生觀、世界觀的建立都是在哈爾濱工業大學，‘規格嚴格，功夫到家’的校訓不能丟，包括我從母校畢業后以及到美國的這幾年，一直以來無論走到哪里，我覺得自己一直都受這種精神的激勵。”他認為，這種影響已經滲透到血液里，從內而外，無論走到哪兒都是一種精神財富。而這種骨子里的潛移默化也促使他重新回到了“起點”。

回國，毫不猶豫地選擇哈爾濱工業大學深圳校區，趙維巍坦言：“新校區和老校區的精神和理念是一脈相承的，在一個新的平臺上，我認為將擁有更多機遇和挑戰，能夠充分發揮所學和經驗，大展拳腳。”同時他還表示，深圳被譽為創新之城，有著完善的自主創新政策法規，相對而言，創新資源、平臺建設等方面也占據優勢，“深圳的‘孔雀計劃’，還有高層次人才計劃，對于我個人還有團隊的建設都有非常有力的經費支持和政策支持”。

在入職1年多的時間里，趙維巍聯合馬星、張嘉恒、馮歡歡等多位具有海外深造經歷的高端引進人才，組織成立了面向印刷電子產業和基礎物理研究的創新團隊。該團隊人員短期內作為核心組成部分參與了“一種降低納米金屬顆粒燒結溫度的方法”“一種基于改性柔性襯底的導電薄膜的制備方法”“一種氧化石墨烯自組裝復合銀納米線改善柔性器件機械性能的方法”“一種磁性納米墨水及磁性柔性電路或器件的制備方法”等多項專利研發工作，受到深圳市海外高層次人才“孔雀團隊”計劃、深圳市制造業十大扶持計劃等項目的大力支持。

落地求真，放大產學研結合

在與團隊聯合研發印刷電子的每一項工作當中，產學研結合是趙維巍不斷提到的。一直以來，他的團隊與科技型企業保持著密切的聯系，積極洽談合作布局，目的就是為了讓更多的科技成果以產品的形式走進市場，為科技強國、科技健康做出貢獻。

從團隊建立開始，每一位成員都在思考如何推進產學研合作發展，充分釋放大學在創新驅動發展上的動力，以高水平的科研成果和高素質的創新人才來服務經濟社會發展。參考歐美高校的科研管理制度、科技成果轉化模式，他們認為“專業的產學研管理機構，可以提升高校科技成果的轉化效率”“完善的激勵與評價機制，有助于提高科技成果轉化成功率”。在他們看來，結合實際情況，高校可以成立專門機構集中管理高校的科技成果，在校內整合資源，避免重復研發，提升科研效率與能力；在校外積極開拓市場，推廣科研成果，提高產學研合作的成功率，發揮高校集體優勢。與此同時，科研院校、課題組本身也要根據不同的學科發展特點探索科技成果轉化的最佳模式，通過努力尋求政府支持，進駐創業園孵化等方法提高成果轉化的成功率。

從宏觀的角度來看，國內高校產學研發展需要注重社會效益，還需要明確各方利益分配。趙維巍指出，效仿國際成功案例，管理層可以采用出臺相關法案文件等積極有效的手段處理高校、企業、政府主體間利益牽扯，以及牽扯到的多重法律關系，從而增進社會共同財富。針對科研成果產業化所需的經費和精力支撐，他更是以自身團隊課題為例闡述了科研成果產業轉化面臨的問題，表示：“目前科研成果成功實現產業化的一個弊端是，有產業化價值的項目在高校實驗室完成初期實驗后，院校很少有多余的資金來支持教師做進一步產業化的研究和推廣，教師作為項目負責人需要爭取更多社會資源取得進一步產業化試行的場所、資金。而圍繞市場的產業化研究周期更長、技術成熟度要求更高。由于教師有其他項目和教學工作在身，時間精力有限，以市場為導向的技術需求則是希望越快越好，這也導致了高校的科研成果較難轉化。”