 1 月 22 日，由 DeepTech 携手络绎科学举办的“MEET35：创新者说”论坛暨“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国线上发布仪式成功举行。来自科学界和产业界的人士在云端共同见证了新一届中国青年科技领军人物登场。 络绎科学邀请到了“创新 35 人” 2021 中国入选者斯坦福大学博士后雷雨声，做客直播间，从高性能钙钛矿单晶器件的集成与应用等方面与我们进行了分享。  作为“发明家”入选的雷雨声的主要研究集中在单晶金属卤化物钙钛矿上。其因在新型半导体器件杂化卤化物钙钛矿晶体方面取得的突破性成果而成功入选“创新 35 人”，并成为了“发明者”中的一员。 获奖时年龄：28 岁 获奖时职位：斯坦福大学博士后 获奖理由：他攻克了行业多年无法解决的难题，首次实现了高性能钙钛矿单晶器件的集成，为其在柔性可穿戴电子设备的普及铺平道路。 成长之路：从兴趣萌芽到扎根钻研，解决行业近十年未能解决的难题 出生于河南一个工薪家庭中的雷雨声，从小就对科学实验感兴趣。高考后，抱着“兴趣就是最好对老师”的信念，他选择报考了化学专业。本科学习期间，他参与了一些科研项目，不仅获得了省市级学科竞赛的奖项，还参与发表了相关文章。这些工作让他对科研项目有了一定的思考，也为他将来的科研之路奠定了基础。 大三时，雷雨声在科研实习期间，接触到了国外引进的一种新型的薄膜电池技术，负责实习的老师鼓励他趁年轻去国外学习、沉淀。留学的种子此刻在雷雨声心中萌芽。 一年后，即将毕业的雷雨声，在父母支持下，在有限的时间内完成了留学申请，并最终加入了加州大学圣地亚哥分校徐升教授的课题组，成为了徐升教授最早批的学生之一，主要研究的方向为单晶金属卤化物钙钛矿型半导体及其光电子器件。 在这期间，雷雨声完成了一系列研究工作，他从钙钛矿单晶的晶体制备、性质研究、器件集成三个方面开展了一系列原创性工作，克服了单晶材料的电子结构单一、生长难以控制、微纳加工困难等难题，解决了行业近十年未能解决的问题，极大地推动了钙钛矿单晶器件的研究进程。 金属卤化物钙钛矿作为一种新型半导体材料，在过去十年间，在光电领域取得了巨大的进展。在太阳能、发光二极管、光传感器、光晶体管等领域，尤其是太阳能电池方面，拥有巨大的应用前景。 金属卤化物钙钛矿具有优异的半导体性能、优异的光电效应，具有较高的光吸收系数，以及低廉的成本等优势。然而，其稳定性较差，容易在晶界等晶体缺陷处发生降解。此外，其还通常存在一些其他问题，如较强的离子迁移现象和结构/电学性质的不稳定等。相比之下，金属卤化物钙钛矿的单晶结构具备解决上述问题的潜力，但由于这种晶体生长的不可控性、巨大的块状晶体尺寸及对水分敏感等问题，造成它们难以进行器件加工。当时科研界对单晶结构都是一些基础研究，没有关于单晶器件的报道。 因此，雷雨声希望开发单晶钙钛矿从晶体生长到器件集成的一整套工艺。他将首个目标定为实现可控的单晶生长，并制定了外延生长的实验计划。 要实现杂化卤化物钙钛矿单晶的外延生长，就需要找到一个晶格失配度合适的衬底。为此，雷雨声尝试了市面上能买到的所有具备相似晶格参数的单晶衬底，采用了多种实验手段，但只能制备少量产率低、面积小的范德华外延单晶，远达不到器件制备的基础。 在又一次的实验失败后，雷雨声提出了一个创新性想法——对敏感的钙钛矿单晶进行保护并图案化，然后进行同质外延来获得可控的高产率、高性能的外延单晶。但这个想法存在一个挑战，就是杂化卤化物钙钛矿对水分敏感，而这就意味着不能在块状晶体上进行微纳加工。 雷雨声于是将实验重点转移到了如何对单晶钙钛矿衬底进行微纳加工上，在徐升教授的指导下开发了一种利用对二甲苯封装和干式蚀刻的方案，即使用在锂电池封装中常用的派瑞林（Parylene）高分子薄膜来对钙钛矿衬底进行图案化加工前的封装保护，后使用反应离子刻蚀的方式，完成对钙钛矿衬底的微纳加工。 随后，雷雨声成功实现了在具备图案化生长位点的钙钛矿单晶衬底上进行外延单晶的溶液生长，取得了对外延层形貌、尺寸、晶体取向的精确控制，以及超高产率的成果。 在对工艺不断优化后，雷雨声制备出了首个超高分辨率的单晶钙钛矿 Micro-LED 阵列，并取得了优异的外量子效率，做出了第一个将杂化卤化物钙钛矿引入到微电子领域的研究报道。 雷雨声对这些单晶器件进行了光陷阱、微结构等光学特性展示，从实验上验证了未来微纳光电器件的优异性能。 这项工作是国际上首次实现金属卤化物钙钛矿单晶的图案化外延生长，也是首个实现对单晶钙钛矿进行微纳加工、晶体生长控制及微电子器件集成方法，将金属卤化物钙钛矿器件的耐用性提高了一个数量级。这一研究有望为单晶钙钛矿从实验室到工业应用铺平道路，为太阳能电池、显示器、光电探测和医疗成像技术方面的变革提供了巨大的可能性。 金属卤化物钙钛矿代表了一个材料家族，包括很多可调整的金属阳离子、有机阳离子和卤化物阴离子。通过第一阶段的研究，雷雨声意识到钙钛矿单晶的生长及器件集成的方法具有很好的普适性和拓展性，具有非常大的研究潜力。于是，他提出了两个不同的研究思路，分别是利用同样的外延方法研究钙钛矿的应变异质结，以及探索超薄单晶的高性能太阳能电池。 探索应力对钙钛矿异质结半导体性能的影响机制 通过采取在组分不同的金属卤化物钙钛矿衬底上进行外延生长，雷雨声将目前一种非常有前景但是不稳定的单晶金属卤化物钙钛矿（CH(NH2)2PbI3）制备成了异质结结构的外延异质结，并在其中发现了由晶格失配所产生的晶格应力及应力作用下载流子迁移率明显的变化。通过控制应力的大小，实现了对载流子迁移率和光学传感器的检测灵敏度的提高。 在进一步研究异质结结构的外延单晶薄膜的物理机制后，雷雨声首次揭示了应力对钙钛矿结构和载流子性能的影响机制，并发现了应力还可被设计用于提高钙钛矿器件的稳定性，为实现更高性能和更加稳定的钙钛矿器件提供了新策略。 解决领域内长期以来无法制备超薄单晶的难题 在完成图案化的外延生长后，依然缺乏一种有效手段来剥离外延单晶薄膜，并将其转移到常规的衬底上，为了实现单晶光电子器件的集成，势必要面对微纳集成与器件制备的重大挑战。为此，雷雨声开创了一种全新的方法，通过进一步设计图案化生长的结构，成功实现了外延单晶的共平面相融，进而实现了大面积超薄单晶的制备。随后，结合掩模版转移印刷的策略，成功实现了超薄单晶的外延转移工艺，并进一步设计了机械中性结构的单晶器件，使其具备可弯曲性。利用这种方法制备和转移后的杂化卤化物钙钛单晶薄膜可以薄至几百纳米，大至具有几厘米乘几厘米的尺寸，并且可集成于广泛的柔性衬底上。 然而，攻克了在微纳集成方面的挑战仍然仅仅是实现高性能单晶器件的必要条件。因杂化卤化物钙钛矿单晶结构特殊的表面性质，在单晶薄膜转移之后的界面处理成为了实现高性能器件的一大难题。水敏感，依然缺乏一种有效手段来剥离外延单晶薄膜，并将其转移到柔性衬底上。在这个课题的研究中，雷雨声遇到了器件制备与微纳集成的重大挑战。 为了尽快提升器件的性能，在徐升教授的介绍下，雷雨声得到了在洛斯阿拉莫斯国家实验室宝贵的交流学习机会。在钙钛矿太阳能电池领域专家 Wanyi Nie 教授和纳米集成中心 Jinkyoung Yoo 教授的帮助下，雷雨声汲取了器件制备过程中的诸多经验，针对单晶器件提出并优化了一系列界面处理的方法，成功实现了单晶器件性能的一个飞跃。 另外，雷雨声通过使用一种动态组分的前体溶液来调整单晶薄膜在厚度方向上的结构组成，使得生长的单晶薄膜在成分上有一个梯度，从而实现在电子结构上带隙的梯度变化，这在杂化卤化物钙钛矿中是从未实现过的。 基于以上实验研究，雷雨声成功制备了柔性单晶太阳能电池，取得了三方认证的世界最高光电效率（光电效率为 18.9%）、极佳的稳定性，以及大幅增强的器件寿命，为未来可穿戴电子设备的能源供应提供了潜在的可能性。他在钙钛矿单晶领域的这些成果还登上了美国国家基金委 MRSEC（Material Research Science and Engineering Centers）的主页，并获得了斯隆研究奖。 博士毕业后的雷雨声，选择继续拓展自己的知识，于 2020 年秋季加入到了斯坦福大学的鲍哲南院士的课题组，从事有机晶体管和可拉伸电子设备的研究。鲍哲南院士在推荐信中，对他进行了高度评价，“雨声不仅在提出原创性想法方面具有很好的能力，在探索新的科学现象方面，他同样表现出了很好的创造力、热情和强烈的奉献精神。” 在络绎科学 APP 上中国区第五届“ 35 岁以下科技创新 35 人”的线上发布仪式的分享中，雷雨声表示，虽然进入一个全新的领域意味着更多挑战，但希望在柔性电子大框架下，在不同范围的小领域中不断学习，来拓展自己对整个柔性电子领域有更深刻的理解，并将继续保持初心，努力做出更多有价值的工作，为科学的发展做出自己的贡献。 |
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