创造两项发光效率纪录，浙大科学家有望改变OLED技术格局
材料来源：DeepTech深科技
狄大卫目前是浙江大学光电科学与工程学院研究员、博士生导师，他也是澳大利亚新南威尔士大学工程学博士、剑桥大学卡文迪许实验室物理学博士。2019 年，他凭借在有机发光二极管（OLED）和钙钛矿材料发光二极管领域的突破性研究，入选当年《麻省理工科技评论》全球“35 岁以下科技创新 35 人”。
如果换一个视角呢？放下这些履历和标签，你会设想，一个从小玩游戏的男孩，也被种种物理现象吸引，探索 “未知” 与“好玩”事物的天性引领着他，一路到现在，成为一个科研工作者。
对狄大卫而言，做研究的乐趣，不亚于玩游戏。
八年前，他拿到剑桥和牛津两份博士录取通知书。拍照在游戏论坛上分享，要遮一下个人和导师的信息，他随手用了塞尔达传说、超级马里奥、生化�；挠蜗房ù�。他这样比喻自己的科研态度，“我考虑的不只是通关，而是怎样尽力做到完美。”
甚至科研的乐趣大于游戏，因为游戏的规则和内容受限于设计师的想象力，“科研更加自由，你可以做太多的事情，结果其实是不可预测的”。
从太阳能电池到发光二极管
读第一个博士时，他的研究课题是量子点硅太阳能电池，想办法通过调整硅的电子特性来提高电池效率。
从能量转换方式上说，狄大卫读的两个博士所涉及的器件，正好是互逆的。第一个博士学位研究太阳能电池，把光能转成电能；第二个研究有机发光二极管（OLED），把电能转成光能。在目标上，倒是有一点相似，都要提高能量转换的效率。
在研究量子点硅电池这种 “第三代太阳能电池” 的时候，这一点一直不尽如人意，他心里有个声音在嘀咕：经历了几年从第一代到第三代太阳能电池的研究，自己学术能力比以前强了，领域也更高深更前沿，反而做出来的电池效率还不如本科时候的，似乎离实际应用越来越远。
当时，周围有同学选择进入产业，去公司做技术转化。不过比起来，他还是更留恋基础科研中的创造性快乐。“我想独立做一些东西出来，无论在科学上还是技术上，有一些自己的创新。”
一次偶然的实验，为他带来了新的研究方向。为了测试量子点硅太阳能电池的性能，他在电池两端加上电压。暗室里，电池发出了红色的光。“亮起来的太阳能电池”，这让他感到意外而又有趣。
按理说，硅是发光禁阻的间接带隙半导体材料，通常不会发光。因为这个实验，他发表了一篇 LED 领域的论文《硅纳米晶 / 单晶硅异质结 LED 的电致发光》，报道了基于纳米硅 / 晶体硅的发光二极管。硅这种材料本身不发光，但做成纳米硅或者量子点以后，就可以突破限制发光。
在此之后，他去全球最好的 OLED 研究机构之一，剑桥大学卡文迪许实验室读了第二个博士。
OLED 是用有机材料制成的发光二极管，相比于传统的液晶屏 LCD，每一个像素点都能够自发光。因此，OLED 屏幕显示色彩更丰富，同时更轻薄，还可以做成柔性的可折叠屏。
自从诺基亚在 2008 年发售了第一款 OLED 屏幕的手机后，三星等公司纷纷在各自的高端机型上使用 OLED 屏。今年苹果公司更是决定在所有的 5G 手机上使用 OLED 屏。
学界与产业界研究的共同课题是，希望提高 OLED 的发光效率和稳定性，同时降低制作成本。
步入 OLED 领域以后，狄大卫一边阅读文献一边思考，怎样的研究才具有突破性。他认为：最好能在激子态的调控上做出贡献，这是领域核心的科学问题。在有机半导体中，电子和空穴配对形成激子，而激子复合实现发光。因此，激子的行为与命运，会最终影响器件的发光效率。
图 | 狄大卫在剑桥卡文迪许实验室（来源：受访者提供）
两次突破发光效率
当收到校外合作者寄给实验室的几十种发光分子后，他花了几个星期时间来检测这些分子的特性，初步筛选出三四种分子，它们拥有独特的发光现象。
这看起来似乎是他运气好，这些发光分子恰好落在他手上，等待着被发现。“不能自大地说，换成其他人一定测不出来。但是在这几十种材料里面，要筛选出这三四种很特别的分子，并不是一个很简单的过程，需要有 OLED 发光机理的知识和预判。因为这么多东西，很容易错过有意义的实验细节。”
他的微信头像是一个标着问号的方块，金黄色的，来自任天堂的经典游戏超级马里奥。游戏里见到了，就想操作马里奥用头顶一下的那种小机关，期待着里面会跳出什么道具。“做基础科研的过程其实和玩游戏是一样的，哪里看起来有趣就往哪里走，探索新大陆，发现新宝藏。”
这种特殊的 CMA 分子是他发现的新宝藏。在初步做荧光光谱实验的时候，狄大卫和同事就发现，这种材料的荧光效率接近 100%，更意外的是，它的延迟荧光光谱会 (在纳秒到微妙尺度上) 随着时间红移。“说明这种材料里的激子能态分布比较特殊，存在能量比较低的单重态。”
图 | 游戏 Super Mario Run 中的黄金砖
OLED 工作时形成激子，一般有两种不同的状态：单重态和三重态。根据量子力学的一个推论，这两种形态的能量高低不同。自旋单重态的能量高，自旋三重态的能量低。其中又只有单重态才可以发光，但它产生的概率只有 25%，剩下 75% 都是能量较低、又不发光的三重态。
为了提高发光效率，科学家们用的方法，就是让三重态与单重态之间实现转换。三重态能量低，很难自由转到能量更高的单重态，所以需要引入其它机制。目前比较常见的两种方法，一是引入重金属元素(比如铱)，让三重态本身能够实现发光(磷光)，一是通过分子设计，缩小三重态和单重态之间的能量差，这样它也能够转为单重态。
CMA 分子则表现出新奇的发光机制：由于分子旋转，三重态和单重态的能量差变为零，它就能快速转化为单重态并发光。同时，狄大卫和同事在分子中利用了常见的金属(如铜、银、金)，进一步提高了激子利用速率。最终，他们实现了 27.5% 的外量子效率（衡量 OLED 发光效率的指标），并用低成本的溶液法制备。这达到了真空蒸镀法制作的高效率 OLED 的同等水平。
在他看来，CMA 分子另一个很意思的地方是“用分子旋转调控发光”，这等于实现了分子机械能和光电性质之间的互相耦合。“这可能会是一个新的研究方向”，沿着这个思路走下去，说不定会有更多可探索的宝藏。
实现了溶液法 OLED 的效率突破后，博士毕业的狄大卫继续跟着导师做博后。导师给他的课题是钙钛矿 LED。这种新型的 LED，也是从导师的课题组发展起来的。他记得导师向他提起这个课题时，非常随意，“他说现在钙钛矿 LED 还不好，他说，你去解决一下这件事情。我当时想，解决一下是什么意思……”，说到这里，狄大卫噗嗤一声，笑得一口气没喘上来。
于是，他就和当时在剑桥读博士，正研究钙钛矿的赵保丹，一起去解决了。
当时钙钛矿 LED 的外量子效率只有 10%，他们将钙钛矿与聚合物相结合，很快就达到了 20% 以上的外量子效率。
他这样理解老师给自己的建议，“因为他知道我 OLED 做的不错，然后他说钙钛矿 LED 的话，你自己去玩一玩。”
图 | 钙钛矿 LED 实现 20% 以上的外量子效率，100% 外量子效率，研究被选为封面文章（来源：Nature Photonic）
从科研到产业应用
狄大卫在剑桥的导师 Richard Friend 爵士，既是一个科学家，同时又推动了四五家公司的创立。
在狄大卫看来，导师对公司的运营和发展并没有那么大的兴趣，只是顺手转化了实验室里比较实用的技术，自己介入并不多。而 Friend 老师的学生，牛津大学的 Henry Snaith 院士(钙钛矿太阳能电池的奠基人之一)，则在产业化方面有着强烈的动力。
这两种不同的态度，让他挺触动。这让他思考，如何在基础研究和产业化研究之间寻找平衡。对于他，快乐的源头主要来自基础科研突破，产业化过程或许能给科研带来正反馈，证明某项研究有意义。产业发展也能为基础研究提供更多资源。
回国两年，狄大卫的身份从学生转变成为了老师，还拥有了自己的课题组，要考虑的事情一下子变复杂。之前做学生，他更像单纯的玩家：导师把其它的事情都安排好了，他只负责尽情游玩就行。“现在这个游戏变得没那么容易了，从服务器到编程到游戏架构，都得我来负责，我还要确保游戏机不被断电。”
这些工作稀释了一些快乐，不过看到学生与博士后在自己的引导下取得突破，他会有共鸣式的满足。“我会对他们说，我们能不能这样尝试一下。这就像我看我的好朋友玩游戏，在旁边对着他说，你试试看往那个方向走一走，我感觉那边会有好东西。”
他向学生建议的课题是钙钛矿 LED，沿着之前的思路继续进行，研究通过例如光子回收等方式，进一步提高发光效率。
他没有建议进行新型 CMA 发光器件的设计或者钙钛矿稳定性之类的课题。其中的主要原因是，这些研究更为复杂，容易给科研新手带来挫败感，他想让学生在熟悉课题的阶段建立一些自信。“直接上来（研究）稳定性，我觉得很多人都崩溃了。”
稳定性研究对产业化至关重要，需要投入大量的资金和研发精力，获得大量的试验结果。他觉得可以争取资源，做一些以产业转化为目标的研究，这可能是比较恰当的实现路径。有一部分投资人和他联系，期待是未来三五年就实现大规模量产，他认为不适合他的团队。
“尽可能不要为了获取短期利益，而去浪费投资人或者政府的投资，我觉得这可能是一种比较负责任的思维。（对于想转化的技术）最好先在实验室中，确定某种技术的确有优势，再去进行产业化。”一年前他和 Deeptech 聊天时这样说过。
OLED 产业的核心技术之一是铱化合物磷光发光材料，这项技术完全被美、日、韩、欧的公司与学术机构垄断。因此，其他公司生产 OLED 屏幕，每生产一个像素点，都要付一定比例的专利费。
随着产业的进一步发展，总会有人希望突破现有专利垄断。比 CMA 分子，或者其它新材料，都可能成为潜在方案。CMA 分子中使用了金、铜或银等较为常见的金属，达到与铱化合物媲美的发光效率，技术转化需要解决的是进一步提升可靠性以及降低成本等问题。
根据《中商产业研究院》的一份报告统计，从 2011 年到 2017 年，中国 OLED 产值规模从 5.3 亿美元增长到 103.5 亿美元，年复合增长率达到 64.2%。
“国内的 OLED 产业刚起步，它的盈利模式并不是十分令人担忧。虽然大多核心专利被美欧日韩垄断，但目前还没有对产业形成明显的阻碍。”狄大卫分析，随着产业升级，总有一天核心专利的缺失会成为重要障碍，眼光长远的企业，就会考虑提前布局。
图 | 狄大卫与浙大课题组成员在实验室 （来源：浙江大学国合处）
“钙钛矿这个东西确实厉害”
聊天中，狄大卫提及频率最高的词是“有趣”。连谈到钙钛矿材料目前的缺陷之一：毒性，他还是用了这个形容词。“钙钛矿它比较有趣，它这个东西（光电性能）就是好，你把它变无毒了，它就变差了。”
比起一般的 OLED ，钙钛矿发光纯度高，显色范围广，但是稳定性差。“它有先天的优势，也有不知道是不是先天的缺点（稳定性），希望不是先天的缺点。”
“那要是先天的缺点，你不是很难受，研究了那么久？”
“并不是特别难受，并不久，这个领域 2014 年才开始真正起步，钙钛矿 LED 坏了也可以随时扔掉 (笑)。” 回应完我的打趣，他继续说 “我相信，太阳能电池如果能最终解决稳定性的话，LED 同样也是可以的。这个只是时间问题。” 他也关心钙钛矿太阳能电池领域的发展，注意到稳定性一直在进步。
在他看来，要解决稳定性，还是要借助产业化研究的思路，这个和基础科研的发散式研究思维有些不一样。
几十年前，第一个 OLED 由柯达公司的研究人员发明，实现了约 1% 的发光效率。同期来自于大学的相关研究 (如狄大卫的导师，剑桥卡文迪许实验室的 Friend 院士组发明的第一个聚合物 LED)，虽然很具前瞻性，探索新的材料，对原理进行深入分析，但同期获得的发光效率却只有百分之零点几。
“技术上抢先达到指标的往往是公司。” 在他看来，这是科研工作者值得反思的地方，并且，“实用化了以后，可能在不经意间解决了许多基础科研的问题。”
学校实验室里的研究更富有创造性，但是高强度、高重复性的产业式研究可能也会获得令人惊喜的结果。
“有时我们如果能够大规模、批量式地去做一些实验的话，我是说真的是不厌其烦，把创造性忘掉，把一切天马行空的跳跃性思维和理论暂时全都忘掉，在一个无趣的实验室、一间小黑屋里就做好这一个研究，所谓的硬骨头可能也就啃下了。”
目前，钙钛矿 LED 的工作寿命只有 10-100 小时，离产业化的门槛 1 万 - 10 万小时还很遥远。
狄大卫曾在卡文迪许实验室看过同事们进行最早的钙钛矿 LED 研究。最初，这些器件只亮了两三秒。他还挺不屑的，打趣说“这其实是在做闪光灯”。
现在他觉得，“钙钛矿这个东西确实厉害”。虽然其中的光电转换原理很难被完全理解，研究结果却一直在进步。
硅太阳能电池的光电转化率从百分之十几提高到 25%，用了 30 多年；钙钛矿太阳能电池从 14% 提高到 25%，只用了 6 年。
OLED 的外量子效率提高到 20%，用了 20 多年；钙钛矿 LED 的外量子效率从小于 1% 提高到 20%，只用了 4 年。
钙钛矿 LED 那 20%，就有狄大卫和伙伴们的参与。他从导师那儿领到了博士后课题：
我们去证明钙钛矿 LED 是一个很伟大的东西，它必须达到 20% 的效率。
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