潘林楓曾經遭遇過一次。當時正值實驗中期，還在英國劍橋大學做博士后的他想把器件做成透明的，方便光譜技術的表征，在進行到最后一步用腐蝕性氣體刻蝕掉背后不透明的材料時，由于邊緣反應速度過快，他眼睜睜看著耗時三個月做出的樣品化成了灰燼。那一刻，潘林楓的內心徹底崩潰，丟下這個“爛攤子”，無精打采地回家躺了兩天。此后，他抱著“科研虐我千百遍，我待科研如初戀”的心境逐漸找回能量，回到實驗室重頭再來。這種事情對于科研人來說很常見，人人都有遭遇困難的時候。“最重要的是要有從頭再戰的勇氣和決心。”這些年，無論面臨何種挑戰和挫折，潘林楓都能重拾對科研的熱情，不僅讓生活過得熱氣騰騰，也在學術上取得了不錯的成績。他在Nature Catalysis、Nature Communications等期刊共計發表26篇論文，據Google Scholar，發表的文章總被引超過3500次，H指數為20。近日，潘林楓以第一作者的身份在Nature發表論文，在發展面臨瓶頸的太陽能燃料領域獲得重大突破。
潘林楓。受訪者供圖
氧化亞銅價格便宜、儲量豐富且無毒，而且在捕獲陽光并將其轉化為電荷方面相當有效，因此一直被認為是硅的廉價潛在替代品。但其光電催化性能與主導半導體市場的硅相去甚遠。“和其他氧化物半導體一樣，氧化亞銅也有其固有的挑戰性。”潘林楓在接受《中國科學報》采訪時說，“挑戰之一是光的吸收深度和電荷在材料中傳播的距離之間不匹配，因此頂層材料下面的大多數氧化物基本上是死空間。我們要解決載流子傳輸距離短的問題，這是大部分氧化物半導體的通病。”“對于大多數太陽能電池材料來說，材料表界面缺陷在性能中的影響更大；但對于這些氧化物材料來說，情況正好相反——表面基本完好，但內部的一些東西導致損失。這意味著晶體的生長方式對它們的性能至關重要。”領導這項研究的劍橋大學化學工程與生物技術系教授Sam Stranks說。研究人員致力于如何對低成本材料進行優化，從基礎研究著手，以推動化石燃料向清潔、可持續燃料的轉變。為了開發氧化亞銅，使其成為現有光伏材料的可靠競爭者，需要對其進行優化，提升光生載流子分離和傳輸效率。基礎研究的理想對象之一就是單晶薄膜，它是具有高度有序晶體結構的非常薄的材料片，通常用于電子產品。然而，制作單晶薄膜是一個復雜而耗時的過程。研究人員開發了一種全新的液相外延生長技術，能夠在常壓和室溫下制作出高質量的氧化亞銅薄膜。然后，他們結合劍橋大學物理系的飛秒瞬態反射光譜，第一次觀察到了電荷在各個晶向上移動的巨大差異，并精確地定量了這些參數。“這些晶體基本上是立方體，我們發現，當電子以體對角線的方式通過立方體，而不是沿著立方體的表面或邊緣移動時，它們的擴散距離能提高一個數量級以上。簡單來說，電子移動得越遠，性能就越好。”潘林楓介紹。“在這些材料中，對角線方向很神奇。”Stranks說，“到目前為止，它已經在性能上帶來了巨大飛躍。”對使用該技術制造的氧化亞銅光電極的測試表明，與現有最先進的電沉積制備氧化物光電極材料相比，其性能提高了70%以上。研究人員表示，該成果實現了光電催化制氫性能的突破，這種材料和相關研究可能在能源轉型中發揮至關重要的作用。“這個領域總體來講已經發展到一定階段，進入了瓶頸期，要想實現大的突破很困難。這就好比摘果子一樣，長得低的果子已被摘完，再想往高處摘就變得特別艱難。”潘林楓表示。當時，投稿給Nature編輯時，研究團隊介紹了該成果的三大亮點。第一個是他們首次開發出一套可以室溫常壓生長單晶薄膜的全新液相外延生長技術，得到完美且可控可調的單晶模板生長平臺；第二個是與戴霖杰博士（該論文共同第一作者）合作定制了飛秒瞬態光譜，把氧化亞銅薄膜的三個方向做了一套完整的表征，首次精確定量載流子傳輸的各個方向的距離，確定最優晶體方向；第三個是把多晶薄膜里晶體方向調成最優的高純度方向，讓光電流性能提升70%以上。編輯和幾位審稿人都有各自的要求，最少的提了6個問題，最多的有20多個問題。為了一一解答，補充好審稿人要求的測試，團隊里來自多個國家的合作者都全力以赴。“當時，我們在劍橋大學缺少一些關鍵的儀器，無法做完整的器件，所以樣品需要寄回瑞士。但因為回復審稿意見有時間限制，當時壓力非常大，我甚至打算親自去瑞士做實驗，但最后因為簽證的時間問題沒能成行，還是靠寄樣品的方法來解決。”潘林楓說。在回復意見接近尾聲時，潘林楓與團隊里一位來自波蘭的同事經常工作到凌晨一兩點，被大家逗趣稱作“守夜人”。“我們補做實驗用了近5個月，撰寫回復意見用了3個多月，回復意見長達60多頁，導師反復修改了4遍才再次投出，并得到編輯和審稿人認可。”這一次經歷也讓潘林楓見識到“正刊之難”，從2022月12月首投至文章最終發表，用了一年多時間。之所以這項研究成果能被Nature接收，是因為這篇文章為所有氧化物半導體提供了優化性能的一個解決方案。而且，該研究提供了一系列針對各項測試的表征，太陽能電池、探測器或晶體管等研究都可以借鑒這套測試方法。很多人不太認可運氣的作用，把取得的成就歸功于努力或天賦。但在潘林楓看來，運氣在人生中扮演著重要的角色，其中最大的運氣就是遇到好導師。潘林楓本科就讀于南京工業大學。在華東理工大學獲得碩士學位后，他特別希望能出去看看不同的世界，感受一下科研水平的差異，于是申請到瑞士洛桑聯邦理工學院影響力很強的Michael Gr?tzel課題組讀博。“Gr?tzel教授（該論文共同通訊作者）是世界著名光電材料化學家、染料敏化太陽能電池之父，有著很高的學術造詣，他在學術上的一些見解很獨到，對我影響很大。”潘林楓表示。潘林楓讀博期間有兩位導師，除Gr?tzel外，另外一位是Anders Hagfeldt（該論文共同通訊作者）。“Hagfeldt為人非常kind，他不僅指導研究工作，還在生活上給予學生關照。我在讀博期間結婚生子，有時候很難平衡工作與家庭，于是經常向有一兒一女的Hagfeldt‘取經’，他提出很多當好父親的建議。”博士畢業后，潘林楓萌生了獨立帶課題組的想法，但跟著已經80歲的“大牛”Gr?tzel并不能得到有效鍛煉，因為名聲很大的科學家，合作和資源都是自己找上門。所以，潘林楓選擇到Stranks實驗室做博士后。“Stranks是一個非常理性、嚴謹且高效率的科學家，對我們做科研方面的反饋速度非常快，而且為我這項研究提供了很多資源。他對課題組的現代化管理模式，也讓我受益匪淺。”
Sam Stranks課題組合影。受訪者供圖
好的導師能營造好的實驗室科研氛圍。雖然歐洲的科研節奏比中國、美國慢很多，但潘林楓所在的課題組非常有名，總體節奏非常快。“我們的工作強度很大，做實驗從早上9點到晚上11點是常態，但因為周圍的人都特別努力，跟他們交流和學習很開心，所以也不會覺得累。我真的很喜歡這種志同道合為科研奮斗的氛圍。”能取得現在的成績，潘林楓很感謝一個默默付出的人——自己的妻子。“她也是在洛桑聯邦理工學院讀博，我們結婚后有了可愛的孩子，那時候因為新冠疫情管控，我的很多科研工作都受到影響，當購買的儀器等了一年半才寄到后，她全力承擔起照顧孩子和家庭的重任，無條件支持我干好工作。”潘林楓說。“因為她也在做科研，我們有很多共同語言，經常會交流前沿進展、職業發展等話題。我常常能從她的觀點中學到東西并糾正自己的錯誤。”已經在國外生活和工作多年，要做出回國的打算并不容易，但妻子非常贊同潘林楓回國的決定。有了妻子作為后盾，潘林楓在這篇論文被接收后就馬不停蹄地回國，到蘇州、杭州、上海等地尋找心儀的學校。目前，他即將入職一所“985”高校。“現在，國家對青年科研人才支持力度很大，我們都覺得現在回來是一個好時機。而且國內太陽能燃料的光譜測試研究很缺乏，我想利用在國外這么多年的知識積淀，在國內搭建起相關實驗室，讓這個領域的研究加速發展起來。”潘林楓說。https://www.nature.com/articles/s41586-024-07273-8
