惟精惟一 添彩“視”界
——記浙江大學材料科學與工程學院教授何海平

王 芳 王 輝

何海平

鈣鈦礦，最初指一種由鈦酸鈣組成的天然礦物，后來指滿足ABX3結構（A和B是兩種陽離子，X是陰離子）的化合物家族。其中，鹵化物鈣鈦礦是一種新型半導體光電材料。2009年日本科學家制備出全球第一個鹵化物鈣鈦礦太陽能電池器件，讓鈣鈦礦獲得了極大關注。

2009年到2012年，鈣鈦礦展示了在光伏領域的可觀前景，相關研究如火如荼。而一直從事半導體發光材料研究、時為浙江大學材料科學與工程學院副教授的何海平，卻瞄準了鈣鈦礦的另一種性能——發光。他解釋道：“鹵化物鈣鈦礦半導體擁有絕佳的光電性能，可以將光轉換為電，也可以將電轉換為光，前者可以應用到光伏領域，后者則可以應用到發光顯示領域。”

2012年，何海平投身鈣鈦礦發光研究。至今十余年，他見證了鈣鈦礦從實驗室走向建產線、出產品、展應用的艱難而令人振奮的全過程。其間，他和團隊在葉志鎮院士的帶領下，克服重重挑戰，首創全固態鈣鈦礦量子點及發光母粒制備技術，突破了鈣鈦礦量子點發光穩定性關鍵難題。2023年7月，鈣鈦礦量子點發光材料和顯示用擴散板產線建成。如今，凝結團隊無數汗水和心血的學術成果正飛馳在產業落地的“最后一公里”上，何海平期待鈣鈦礦為顯示市場帶來新的活力和驚喜，為“視”界增添繽紛亮麗的色彩。

獨辟蹊徑 讓鈣鈦礦穩定發光

在進入鈣鈦礦領域之前，何海平已在半導體發光材料研究領域摸爬滾打13年，積累了比較豐富的經驗。

2004年，何海平從中國科技大學獲得博士學位后，加入了浙江大學材料科學與工程學院硅材料國家重點實驗室（現硅及先進半導體材料全國重點實驗室）葉志鎮教授（2019年當選中國科學院院士）課題組。葉志鎮教授自1988年就確立了浙江大學半導體薄膜研究方向，長期致力于寬禁帶半導體氧化鋅等無機光電薄膜材料及關鍵技術研究。“葉老師開辟了浙江大學的半導體薄膜研究方向，開創國內半導體氧化鋅薄膜摻雜研究先河。而氧化鋅材料最受期待的應用就是發光，這些都與我求學時的研究興趣和方向相契合。”在何海平眼中，葉志鎮教授身上有一種百折不撓、全力探究的科學精神。無論多么困難的課題，他總是堅定地推進，樂觀地探索，不斷嘗試各種辦法。這種敬業精神深深感染著何海平。

2012年，在鈣鈦礦作為一種新型半導體光伏材料方興未艾的時候，葉志鎮院士領導組建了鈣鈦礦發光研究團隊，何海平是其中的骨干成員。“相比傳統半導體材料，鈣鈦礦的制備采用溶液工藝，更為簡便。鈣鈦礦的原料也并不稀有。”于是，研究的難點集中在性能的提升。

顯示技術從20世紀中葉發展以來，已相繼出現了液晶顯示（LCD）、有機發光二極管（OLED）等技術，正走向量子點顯示時代。2023年諾貝爾化學獎頒給“發現和合成量子點”的3位科學家，更是引起各界對量子點顯示應用的極大關注。量子點顯示的主要優勢在于能夠發出高效、高純度紅綠藍光，極大提升顯示畫質。但目前使用的量子點發光材料要大規模應用，還存在至少3個挑戰：一是含有重金屬鎘，存在環保問題；二是核心技術和專利大多掌握在外國手中；三是產業化應用仍存在穩定性問題。與此相比，鈣鈦礦發光量子點不含鎘，由我國自主研發，擁有自主知識產權。此外，鈣鈦礦量子點不僅顯示性能極高，色域可大于140%NTSC（美國國家電視標準），成本也更低。

然而，常規液相法合成的鈣鈦礦量子點在顯示產品制造及應用時，難以承受高溫、高濕、強藍光輻照等苛刻的條件。因此，必須開發鈣鈦礦量子點制備新技術和新工藝，以解燃眉之急。但鈣鈦礦在優異的光電性能之外，卻有一個致命缺陷——低穩定性。如何在保證發光效率的同時，提升鈣鈦礦量子點穩定性呢？何海平和同事們開始一次次不懈地嘗試和探索。

最終，團隊首創雙基質包覆全固態量子點制備技術，一舉克服了鈣鈦礦量子點發光的穩定性難題。這一技術采用高溫制備，控制鈣鈦礦量子點的結晶過程，提升熱穩定性；采用雙基質包覆方式，提升鈣鈦礦量子點的水、光穩定性。“這種雙包覆的方式，我們形象地稱之為‘石榴結構’。量子點像一顆顆石榴子一樣，先被果肉包覆，后又被外層的石榴皮包覆，將影響其穩定性的水、氧隔絕在外，并有效抑制因光照和加熱產生的缺陷。”團隊歷經多次迭代和優化，他們不斷提升量子點綜合性能。在這過程中，也不斷加深了對鈣鈦礦材料及其發光的認識，并將這些認識擴展到鈣鈦礦LED器件研究中，先后4次刷新了鈣鈦礦LED發光效率的世界紀錄。團隊多篇論文在《自然光子學》（Nature Photonics）、《自然通訊》（Nature Communications）、《科學進展》（Science Advances）、《信息材料》（InfoMat）等期刊發表。

實驗室的果實沉甸甸地掛在枝頭，接下來，需要做的就是精心加工，把它們送到市場上去。為推動鈣鈦礦量子點成果轉化，團隊在浙江大學溫州研究院的孵化下，成立了溫州鋅芯鈦晶科技有限公司，專注于鈣鈦礦發光量子點材料及其先進顯示應用，自主設計開發放大生產工藝，建立了全球首條全固態鈣鈦礦量子點產線，可實現單批次公斤級規模生產；鈣鈦礦量子點發光母粒和擴散板經230℃高溫熔融擠出成型后，發光依然保持穩定。成果被浙江省科技廳評為省重大科技成果。如今，第一代鈣鈦礦量子點擴散板產品可將普通液晶顯示NTSC色域從70%提升到95%，正在開發的第二代產品可將色域進一步提升到130%以上。除了液晶電視外，鈣鈦礦量子點可望應用于車載顯示、手機、可穿戴設備顯示等場景，未來甚至可應用于量子點LED主動發光顯示，是一項前景廣闊的顛覆性技術。

錘煉優秀產品 添彩中國智造

“惟精惟一”，這是何海平十分喜歡的一句話。科學研究道阻且長，唯有用功精深、用心專一，才能有所收獲。

全固態鈣鈦礦發光量子點及擴散板

對于鈣鈦礦產業化應用，何海平感觸最深的一點就是，對成本、生產過程和市場需求的考慮更多了。“從前在實驗室，解決的通常是單個問題。但是要市場應用，卻必須考慮多種性能的綜合和平衡，形成相對成熟的產品。而有時為了實現這種平衡，必須舍棄一些在實驗室中經反復研究才找到的優秀方案。比如，在我們提升量子點穩定性的方案中，有一個方案的穩定性其實是最好的。但偏偏這個方案的工藝過程不符合量產條件，只能被迫放棄。”那種忍痛割愛的心情，何海平至今難忘。這件事也時刻提醒著他，做科研與做產品的不同。“在實驗室里，可以天馬行空地探索，而當有了一個產業化的目標，就必須收起那份不羈，跟隨市場需求，錘煉優秀產品，堅定不移地走下去。”

2004年以來，何海平在葉志鎮院士的團隊中從事科研已經十九載。對何海平來說，葉志鎮院士既是德高望重的前輩，也是言傳身教的貴人。“葉老師常掛在嘴邊的一句話，就是‘只為成功找方法，不為失敗找理由’。很多時候即便吃飯、走路或閑暇時，他都在思考問題，樂此不疲；他看問題既深入長遠，又關注細節，總能發現別人發現不了的問題。”葉志鎮院士的這些表現都在潛移默化地影響著團隊里的氛圍，何海平更是深受熏陶。

目前，葉志鎮院士領銜的團隊中人才濟濟，研究互補，合作緊密。“其中，我和戴興良研究員組成了一個課題小組，他是浙江大學‘百人計劃’研究員，同時也負責公司的研發，是一位十分優秀的青年才俊。此外，我們課題組與化學系的金一政教授保持著長期合作。金教授是量子點與鈣鈦礦發光顯示領域的著名專家。”依托浙江大學一流的平臺和資源，團隊充分聯動產學研，在研究生培養上，也采用前瞻課題與實際應用相結合的方式，加深學生“把論文寫在祖國大地上”的意識。未來，何海平希望與各界同仁一道努力，研發出更多性能優異、適應多個應用場景且兼顧未來發展趨勢的鈣鈦礦發光材料和產品，添彩“視”界、添彩中國智造。