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走进新能源材料与器件研发新时代——记半导体材料与器件专家、深圳大学范平教授

2018-03-13 10:05:38 来源: 科技日报 作者: 张宇强

范平教授团队

张宇强

他是材料物理研究方面的资深专家,有着丰富的理论和实践经验,在半导体材料与器件特别是薄膜半导体材料与器件的研究领域有着丰富的积累。

他是深圳市先进薄膜与应用重点实验室主任、深圳大学薄膜物理与应用研究所所长、薄膜物理与技术交叉学科带头人……在这些光鲜亮丽的头衔背后,是范平教授数十年如一日的勤恳和踏实,他成为了一位刻苦钻研的学者,一名敬业爱岗的科学家。

正是这种求实的态度,帮助范平在高新技术研究和科技产业化的沃土上收获颇丰,成为我国卓有成绩的材料界攻坚能手。

1979年,范平考入浙江大学物理系,自此,瑰丽神奇的物理世界大门在他面前徐徐打开。1985年起,他执教于深圳大学应用物理系,现为深圳大学物理与能源学院院长、教授。2002年到2005年,他在中国科学院研究生院(上海光学精密机械研究所)光学工程专业读博的经历,拓展了他的研究视野和眼界,使得他将研究目光聚焦于薄膜半导体材料与器件领域。

至此,在这一阵地范平已经耕耘了三十个春秋,取得了一系列有着广泛应用前景的研究成果,不断地书写着新材料研发的传奇。

理论创新,傲立国际舞台

时间巨轮永不停歇,科学技术飞速发展,在探索新能源材料与器件研发的征途上,新的发现不断涌现,新的观点在探索中脱颖而出。

热电材料是一种能将电能和热能相互转换的功能材料,具有绿色环保的优点,而热电材料薄膜化不仅能够通过低维结构调控其热电特性,且能与目前的微半导体器件工艺兼容,具有广泛的应用前景。

而直至2012年,国内在热电薄膜材料和器件研究方面仍处于起步阶段。范平及其课题组自2009年开始采用具有产业化特性的物理气相沉积技术,研发传统Bi-Sb-Te体系及新型Zn-Sb、Co-Sb等体系的热电薄膜,并探索其相关物理机制。

热电材料的应用主要通过热电器件来实现。范平经过近10年的不懈探索,最终研制成功一种新型双面膜结构的薄膜热电发电器(薄膜温差电池)。该结构不管在电极的制备连接上,还是在器件的封装上,都较传统结构的薄膜温差电池更容易实现,为高性能热电薄膜的产业化规模生产奠定了坚实的基础。

课题组采用此结构在柔性衬底上进一步成功研制出具有更广泛应用领域的柔性薄膜温差电池,制备出转换效率达12.3%的单体电池与转换效率大于10%的电池组。该电池各项性能指标均达到国际领先水平,不仅能在低温差条件下提供足够高的电压,且寿命长,耗材少,制作成本低,符合工业生产的需要,在民用、军用等多个领域均具有广阔的应用前景。

范平目前多项热电薄膜及器件制备的创新技术成果,已获得了中国、美国、欧盟和日本等多个国家和地区发明专利授权,相关器件的研究结果分别于2013、2015年发表于物理学领域重要期刊《应用物理快报》上,获得了国内外同行的高度认可。

基础理论的研究、科技的不断创新为产业的发展插上了“翅膀”,范平在热电薄膜材料和器件领域,凭借敏锐的视角、前沿的创新,为新材料产业核心能力提升夯实了基础,让产业发展不再成为空话,一步步迈出了稳健步伐。

克难攻坚,助力企业发展

作为一名科研人员,人生的最高追求是什么?

就是国家的需要。“国家有需求就应该去做!”这是范平经常说的一句话。作为一名学者,他虽有不少时间隐居于科研院所的高楼深院,潜心于各种精密细致的理论探索与科学实验,但他还挤出更多时间走向企业,面向生产,奔赴现场,为产业发展出谋划策。

在新型温敏探头的设计及制备方面的实践就是一个典型案例。随着科技水平的发展,人们对于温度传感器,超小体积、超快速测量、特殊测试环境及特殊安装方式的应用需求越来越迫切,然而,传统的温度传感器都存在体积大、耗材多、热容量大、响应速度慢等问题。

范平创新性地采用超薄又柔软的基底材料和薄膜化的热电极材料,克服了薄膜热电极材料在高温下易氧化及薄膜热电极与输出导线之间的连接工艺两大技术难题,完成了新型温敏探头的开发。新探头具有优越的响应特性和应用灵活性,可将热流传感器和温度传感器,以及其他相关传感器集成在一个芯片上。目前,“温敏探头及其制作方法”已获得我国发明专利的授权,为下一步的产业化应用提供了良好条件。

通过自主设计,范平课题组还成功开发出了一款可同时满足热电薄膜及块体材料的“Seebeck系数测试仪”。

目前热电材料研究领域主流的两大测试设备都是为热电块体材料设计的,测试精度难以得到保证,且测试难度大、时间长,设备昂贵。范平课题组研发的样机采用了分离式探针结构,保证了各个参量测量的准确性;采用了双重加热模式,可极大减少温度稳定时间,提高测量效率;该仪器也具备了测量热电薄膜器件输出特性的模块,实现了薄膜材料到器件测量的一体化集成;测量精度可与现有设备相比肩,但制造价格仅为同款设备的一半,这无疑大大填补了国内的技术空白,具有广阔的市场前景。

同样的,他们针对传统结构热电式激光功率探头的体积大与应用灵活性差的问题,研发出了热电堆方向与激光方向平行的平行式热电激光功率探头,该探头采用新的结构,体积小、应用灵活,响应速度达到了国际水平。目前,激光测量市场被国际三大厂商的传统结构功率计占领,该项技术很好地填补了国内的技术空白,5瓦的激光功率探头,其体积仅为传统结构功率探头的十五分之一,可集成在各种自动化设备中,满足工业自动化需求。相关产品已完成中试与试用,不久将推向市场。

这些实践,践行了范平“不断创新,解决实际难题”的科研精神,见证了范平将基础理论研究与工业实际应用相结合的不懈尝试,进一步加强了材料的应用研究和产品化开发力度。

而他,为成绩欣慰,也为未来思考,寻找着一个又一个新的破冰点。

探索未来,聚焦“今日之光”

当前,从世界能源的开采和使用情况来看,一次性能源正面临枯竭的危险,节能与环保是人类面临的严重问题。因此,重视太阳能等再生能源的研究与开发成为世界能源领域的发展方向。我国大部分地区太阳能资源丰富,作为永久性洁净能源,太阳能技术有着独特的发展魅力和无限的发展空间。

如何使“今日之光”的太阳能产业尽早实现大规模利用?范平没有停止自己的理论创新与探索。

太阳能温差发电技术是一种利用太阳能的新型发电方式。国内太阳能光热发电技术研究较晚,特别是太阳能温差发电技术的研究,主要停留在理论及实验的阶段。

范平提出“利用太阳能聚热结合温差发电模块化组合方式改变发电机组的容量”的大胆设想,带领课题组研发出一种利用太阳能热发电的“太阳能聚热温差发电系统”。通过采集太阳光的热能,再利用温差发电机将热能转换成电能,结构简单、绿色环保、可靠性高。通过余热存储技术,可以将高峰期多余热源保存起来,用在低峰期发电,提高发电效率。

并且,他们积极进行了产业化探索,与企业合作建立起1.2千瓦的太阳能聚热发电系统示范工程。正在开展的10千瓦温差发电机组示范工程项目,预期将于年内完成。

同时,在新型薄膜太阳电池材料和器件制备技术的开发方面,范平有着更多前瞻性的思考。他们采用与半导体(Si基太阳电池)生产工艺兼容性高的全真空物理气相沉积薄膜技术,通过研究薄膜材料的生长和调控机理以及界面耦合等相关科学问题,最终研制出低成本、高效和性能稳定的薄膜太阳电池。提出并实现单源热蒸发沉积技术,制备出高质量钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜材料,直接制备出具有良好配比的单相薄膜,并基于单源热蒸发法首次制备出CH3NH3PbI3薄膜太阳电池。

这一项项成果,将范平心中的太阳能世界渐渐勾勒清晰。

做科研需要挖井精神,需要持之以恒。只有深入的挖掘和持续的探索,坚持工匠精神,才会挖出水或金子,甚至是钻石。正是凭着这样一种执着的精神,范平一路走来,硕果累累。他以第一作者或通讯作者在《应用物理快报》《科学报告》等国内外主要专业期刊上已发表论文80余篇,被SCI收录60余篇。获得美国、欧盟和日本等国家授权发明专利7项,国内发明专利授权11项、实用新型专利3项。

面对这些成绩,范平没有止步,而是继续全力向新材料与器件应用领域进军,并且以他对事业的执着追求,以他朴实严谨的科学精神,带领其科研团队攻克了一个又一个科研难题。

十年磨一剑,只待今朝问鼎时。我们已经走进了新能源材料与器件的研发的新时代,而这将会让更多人获得幸福。对未来,我们和范平一样充满了希冀。

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责任编辑:符雪苑
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