趙永生：扎根“光領域”，做出大成果

關偉

“我一般都是9點左右上班，上午處理郵件，到各大學術期刊網站瀏覽最新研究動態，有時需要參加一些會議，下午找學生討論研究進展。晚上辦公室比較安靜了，我會寫寫項目書，給學生改改論文。以前一般晚上十二點左右回家，現在住得離單位遠了，通常十點多回家。”趙永生描述的自己一天的工作狀態，簡單而忙碌。

走在中國科學院化學研究所園區，趙永生樸實的形象，很容易讓人把他誤認為是一名學生。但現實中，趙永生是中科院化學所研究員、中科院光化學重點實驗室副主任，并在中國科學院大學任教。

趙永生在國際上引領了有機納米光子學材料與器件這一前沿交叉方向的研究。他用化學思想發展了新型光子學材料，推動了有機激光材料在可穿戴器件與下一代顯示技術中的應用;以有機材料的光子學特異性為突破口，他揭示了分子在凝聚態下特殊的激發態動力學過程，促進了光化學學科的發展。針對本領域研究需求，趙永生發展了具有自主知識產權的納米光子學表征新技術，在多家高校、研究所及企業進行推廣，顯著提升了我國在納米光電子領域的整體創新能力。

2021年9月，2020年度“北京市科學技術獎”揭曉，趙永生榮獲2020年度“北京市杰出青年中關村獎”。

做科研，離不開一位好的導師。在這方面，趙永生認為自己是幸運的。

在中科院化學所攻讀博士學位期間，趙永生師從姚建年院士。在導師的指導下，趙永生開始接觸有機光功能材料。博士期間，趙永生將色譜柱用的吸附劑引入氣相沉積系統，解決了有機小分子單晶材料的制備問題，將有機低維材料的研究從無定型粒子拓展到了單晶體系。

2006年，趙永生博士畢業。“本來打算畢業后出國做博士后，但是手頭剛開始的比較重要的工作還沒有結束，而且沒有第一時間聯系到研究方向比較相關的課題組。”趙永生說，“姚老師建議我繼續留在組里做一段時間，建議我大膽做一些新的嘗試，爭取在博士工作的基礎上有實質性突破。”

趙永生于是開始研究有機微納晶體材料的光子學行為。在接下來的幾個月時間，趙永生首次觀察到了有機一維單晶材料的光波導性質和激光出射行為，后來報道了世界首例有機納米激光器。《自然》雜志在其“News&Views”欄目專文介紹和評價了該研究成果。

在博士畢業后的半年里，趙永生所做的工作后來發表了一系列高水平論文，其中幾篇是有機納米光子學領域最原始的經典工作，從此掀起了該領域此后十幾年的研究熱潮。文章中報道的一些關鍵性能參數成為后來本領域同行評價材料性能的重要參考標準。

博士畢業的第二年初，趙永生前往美國，先后在加州大學洛杉磯分校和西北大學從事博士后研究。“在國外的幾年間，除了學習一些先進的科研經驗，更重要的是學會了對研究工作的獨立思考。”趙永生回憶道。

留學期間，趙永生深受導師的啟發，樹立了“去做一兩件有用的事情”的夢想。“我相信只要努力按照這個目標去做，在今后的科研工作中，也會有機會做出一兩件改變生活方式的事情。”這個想法影響了他回國開展獨立研究工作時的選題方向。

2009年趙永生回國入職中科院化學所，致力于有機半導體光子學材料，特別是有機激光材料方面的研究。

早在2011年，趙永生課題組發現，有機材料的激子弗倫克爾激子（Frenkel?Excitons）跟無機材料的瓦尼爾（Wannier?Excitons）相比，具有較高的束縛能和穩定性，可以在室溫甚至更高溫度下通過激子與光子的耦合形成一種半光半物質的新的量子態——“激子極化激元”（Exciton?Polariton）。但在傳統的無機半導體材料中，這種耦合態的形成通常需要極低的溫度。

這種半光半物質的量子態兼具光子和激子的屬性。光子本身是一種不帶電荷的玻色子，其行為很難進行人為操縱，激子極化激元的形成，使得通過對激子的操縱來間接地操縱光子成為可能。

在2018年的一項工作中，趙永生團隊首次利用靜電場對激子擴散行為的影響，在單根有機半導體納米線中打破了光傳輸的對稱性。他們將單根有機單晶波導材料置于一個外加電場中，原本向納米線的兩個相反方向上等量對稱傳輸的激子，在電場作用下發生了重新分配，因此電場的引入可以同時打破光傳輸的對稱性，實現電場控制的光學二極管功能。

趙永生團隊的研究成果，將為攻克“電泵浦激光”難題提供基礎

這是首次在微納結構中通過外加靜電場調控光子行為來實現這一功能，這一結果為實現對光子學功能器件的遠程控制，優化集成光子器件結構提供了重要借鑒，相關結果發表在《科學-進展》。

趙永生介紹，激子極化激元作為一種新的玻色子，可以展現出玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC）的量子現象。玻色-愛因斯坦凝聚態是繼氣、液、固以及等離子態之后物質的第五態，這種現象通常是在極低溫度下的冷原子中實現的。有機材料中的激子有可能在更高溫度，甚至室溫下實現BEC，從而表現出新穎的性質，例如超流體、相干光產生等，在拓撲光學、量子調控等方面具有重要應用。

2021年6月，趙永生團隊在有機微納結構中，首次實現了室溫下的激子極化激元玻色-愛因斯坦凝聚，研究成果發表在《自然-通訊》上。

激子極化激元的產生需要特殊的微腔結構，而目前所采用的微腔結構器件尺寸大、難以控制激子極化激元的傳播。這對進一步集成應用帶來了困難。

為此，趙永生團隊設計出一個新穎的結構，來擺脫產生激子極化激元對外加微腔結構的“剛需”。研究人員選擇一種具有平面剛性結構并帶有側向取代基的有機分子，將其組裝成厚約百納米、寬度幾微米、長度幾百微米的帶狀單晶結構，發展出一種有機半導體單晶微米帶。

“這種形貌規整、表面光滑的微米帶可以充當一個波導微腔，在光激發下，有機材料中的激子與微腔光子發生強耦合。”趙永生介紹。

在光激發下，有機材料中的激子與微腔光子發生強耦合，微米帶中產生大量的激子極化激元，在在有機分子振動能級的輔助下，最終形成玻色-愛因斯坦凝聚態。

“這項工作取得了令人激動的結果，將在有機半導體材料和有機光電子學領域引起極大的研究興趣。”趙永生團隊的工作獲得了審稿人的高度評價。

趙永生表示，已有的研究證實，激子極化激元玻色-愛因斯坦凝聚態有望成為“電泵浦激光”的有效途徑之一。團隊的研究成果，將為攻克“電泵浦激光”難題提供基礎。

在做好化學交叉科學基礎研究的同時，趙永生團隊致力于發展新型有機光子學功能材料，并探索它們在可穿戴器件與下一代顯示技術中的應用，代表性的成果包括激光平板顯示與柔性光子皮膚。

當前，顯示技術突飛猛進，正向著更大、更亮、更艷麗、更輕薄、更震撼的下一代產品飛速發展。激光顯示具有全色域、高亮度、極限高清、真3D等優勢，是繼陰極射線顯示、液晶顯示、LED顯示之后的下一代技術，被業界稱為“人類視覺史上即將到來的一場革命”。

激光顯示已經在激光電視、激光影院等領域實現了商品化。然而，這種利用投影三基色激光的方式限制了激光顯示在手機等平板領域的應用。將紅綠藍三色的微納激光作為單個像素，構建主動發光的全色激光陣列作為顯示面板，是發展平板激光顯示的關鍵。

針對激光平板顯示的關鍵需求，趙永生團隊充分發展了精準打印和印刷技術，構建了紅綠藍微納激光陣列作為顯示面板，實現了主動發光激光顯示，解決了當前激光投影顯示無法用于手機、平板、可穿戴設備等領域的問題。在制得的顯示面板上，每個像素點都是一個獨立的激光點。

利用這種自發光的激光面板還可以實現圖案的動態顯示，用于信息滾動播出、視頻播放等。該工作為發展高性能、易加工的平板激光顯示及照明器件提供了一種可行的解決方案。相關工作發表在《自然-通訊》上。

無論是科幻世界里，還是在現實生活中，“人型機器人”都受到極大關注。而“人形機器人”不光要有人的外形，還得有能感覺的皮膚，像真正的人一樣擁有觸覺、溫覺和痛覺。

2021年7月底，趙永生團隊在《科學-進展》上發表論文，宣布研制出了最新款的人造光子皮膚。趙永生團隊首次提出用柔性有機激光材料制備出具有傳感功能的激光陣列的思路，并發展了“雙層電子束直寫技術”實現了這一思路，創新性地設計出“三維支撐性微盤結構”，最終展示了其類皮膚的機械傳感應用。

當前，繼利用柔性電子學原理設計的人造智能皮膚已經取得長足進展后，柔性光子學原理成為吸引科學家關注的新方向。“光子學有非侵入性、超靈敏性、無電磁干擾以及并行處理等優點，有望進一步推進人造智能皮膚的發展。”趙永生表示。

前期工作中，趙永生團隊圍繞有機激光材料開展了深入研究，并探索了柔性有機激光材料的可控加工，為最終實現具有傳感功能的柔性光子皮膚奠定了基礎。

為了實現靈敏感知的功能，趙永生團隊在透明的聚合物襯底上對許多微型有機微納激光器進行“排兵布陣”。類似于電子屏幕上像素點越多分辨率就越高，激光器越多，則光子皮膚的“感覺”越細膩。

想要在類似皮膚的柔性襯底上構筑“陣列”面臨嚴重的技術困難，在硅基材料加工領域相對成熟的光刻技術對于絕大多數的有機材料很難適用。為此，研究人員發展了“雙層電子束直寫技術”，相當于用一種特殊的“筆”把有機激光材料“寫”在襯底上。

在“寫”“陣列”的過程中，科研人員還發明了一種特殊的結構。“如果把有機微納激光器平整地‘貼’在柔性的‘皮膚’上，隨著關節活動它可能會發生不可逆的結構碎裂和變形，這樣會對光子學性能產生不利影響。”趙永生介紹。

為此，他們設計出一種三維的“支撐型微盤結構陣列”。實驗證明，該結構能夠維持“皮膚”的機械穩定性，不受關節活動影響。同時，它還可以有效抑制光場向襯底的泄露，讓微盤腔具有較強的光學限域能力。

在概念性光子皮膚展示實驗中，科研人員將柔性耦合線-盤傳感芯片貼附在人手模型上，實現了多種手勢的識別。未來，這種新型柔性光子學芯片在人的本體感覺重構、人機交互和機器人自保護系統等領域具有廣泛的應用前景。

趙永生在有機納米光子學材料與器件等領域的多項創新性研究工作，得到了國內外同行和學術團體的廣泛認可。在國內，他已經獲得了十余項有重要影響的學術獎勵。其中他本人作為主要完成人獲得國家自然科學二等獎（第二完成人）、中國科學院杰出科技成就獎（集體獎突出貢獻者）、中國分析測試學會科學技術一等獎（第一完成人）等集體獎項;獲得的主要個人獎項包括：2020年何梁何利基金科學與技術創新獎、2016年中國青年科技獎、2014年中國化學會-贏創化學創新獎、2014年中國科學院青年科學家獎、2011年中國化學會青年化學獎等。

與此同時，趙永生還于2015年入選英國皇家化學會會士，同年獲得了英國皇家化學會旗艦期刊設立的ChemComm未來科學家獎，這是該獎項設立十多年來首次授予亞洲地區的青年科學家。2013年，趙永生榮獲亞洲大洋洲光化學協會青年科學家獎，2014年獲中美化學教授協會杰出教授獎。

作為博士生導師，趙永生也在做好研究工作的同時，特別注重對青年科技人才的科研素質和創新能力的培養。目前，趙永生團隊有20人左右的規模，過去10年培養了20多名博士研究生，其中有5人獲得中科院研究生的最高獎——中科院院長獎，1人獲中國科學院百篇優秀博士學位論文獎。

在培養的年輕人中，1人獲基金委優秀青年基金支持。已畢業的博士生中，有10多人在國內高校和研究所擔任教授、副教授，他們正在自己的教學科研崗位上，將團隊的學術思想和科研態度進一步發揚光大。閆永麗研究員是趙永生團隊中的一員，2020年，閆永麗獲得北京市杰出青年基金支持。

“北京的科研氛圍是最好的，從基礎上來說，也是最深厚的。”趙永生表示，良好的科研環境，是促成成果涌現的重要土壤。

目前，北京是我國科技基礎最為雄厚、創新資源最為集聚、創新主體最為活躍的區域之一，擁有90多所大學、1000多所科研院所和近3萬家國家級高新技術企業。在北京的國家重點實驗室有128家，每天設立的科技型企業超過300家，這決定了北京具備發展新賽道和未來產業的硬實力。

“十四五”期間，北京將充分發揮科技和人才優勢，“鍛長板、補短板”，堅持“四個面向”，深化科技體制改革，推進“揭榜掛帥”等新的科研組織方式，在前沿領域實現更多“0到1”的突破。

趙永生表示，團隊將不斷努力，爭取產出更多重大成果，助力北京國際科技創新中心建設。

趙永生，1979年3月生于山東省淄博市，本科畢業于青島大學，2006年在中國科學院化學研究所獲得博士學位，現為中國科學院化學研究所研究員，研究方向為物理化學、光電功能材料。其研發了世界上第一個有機納米激光器，突破了有機材料集成化關鍵技術瓶頸，發展了新型納米光子學表征技術，并進行了技術轉化與推廣應用。2021年9月榮獲2020年度“北京市杰出青年中關村獎”。