“发光”的事业——记浙江省“钱江学者”特聘教授、中国计量大学研究员白功勋

文/肖延胜

世界上能产生冷发光的无机化合物有上千种，其中，人工合成化合物占据了主流，远超天然矿物比重。而在一代代研究者们的努力下，还不断有新型的无机发光材料被制备出来。这些材料，用在荧光灯、节能灯上，用在彩电、计算机以及各种电子器件的显示屏上，也用在能源探测和生物成像上。它们凭借实力为这个飞速发展的世界增添了更多亮色，发挥着重要的应用价值。中国计量大学材料科学与工程学院研究员白功勋所从事的，就是这样一份“发光”的事业。

发展有潜力的材料

自2004年被发现，石墨烯就作为二维碳纳米材料的代表，俨然成为微电子、传感器、新能源等一系列应用领域的“万金油”。这也引起了研究者对其他二维材料的关注，希望能挖掘出更多满足应用需求的潜力股。

研究发现，二维材料有助于实现原子层级超薄电子和光电子器件，但就算是光电性能优异的二维半导体材料MoS2，也因发光受限于650～700nm影响了其走向广泛应用的步调。再加上其制备以机械剥离和化学气相沉积为主，难以实现快速可控制备。此时，可实现二维原子级超薄半导体材料的近红外发光和结构层数可控的制备成为发展新型超薄二维材料的关键问题。为此，白功勋所在的课题组提出了将稀土离子引入原子级超薄二维半导体材料基质中，用以解决二维过渡族硫属化物发光主要受限于可见光及近红外边缘的难题，实现了原子层级超薄二维材料的近红外光通讯波段发光和上转换发光。

白功勋研究员在光谱测试实验室

而白功勋本人则通过磁控溅射和化学气相沉积法设计制备了层数可控的掺金属离子Er3+的二维MoS2；同时结合密度泛函理论计算，对实验结果和相关物理机制进行了全面研究，并发展出快速可控的掺杂二维材料制备方法，解决了生长速度慢、层数和尺寸能以控制等关键问题。基于脉冲激光沉积法，他又制备了层数可控厘米级面积的近红外发光二维WSe2:Yb/Er超薄光子材料，其生长速度、结构形状均实现调控。相比于机械剥离和化学气相沉积法制备二维材料动辄需要几十分钟甚至几小时，脉冲激光沉积法可以快速准确地原位换靶制备异质结材料和器件，快到一层制备仅需3秒。一系列的工作都在表明，“引入发光离子为二维半导体材料突破本征的窄带发射提供了可靠的解决方案，并有发展出令人瞩目的原子级超薄光电子材料的潜力”。相关成果发表在Adv.Mater.,Adv.Opt.Mater.等期刊上，得到美国普渡大学、南洋理工大学等国际知名机构的引用。

随着光电信息技术的飞速发展，更大增益带宽的光放大材料和光电多功能材料的需求也在快速上升。因其对相应材料的机理和应用研究具有重大意义。在研究中，白功勋也极其重视发光材料的光谱调控。近年来，他设计制备了金属Ni2+掺杂的红外发光多功能铁电材料，在钙钛矿BaxSr1-xTiO3基质中实现了超宽带发光和可调谐性。所取得的近红外发光跨越1200～1650nm范畴，覆盖了整个光纤通讯窗口，这意味着在调整过铁电氧化物组分后，铁电性能及光学性能都可以得到大范围的调制。研究发现，发光峰调控范围达到269nm，成为目前Ni掺杂光子材料中调控范围最大的体系，这将有助于动态研究发光机理，也为他发展出光电调制器、应力传感器等新型光功能器件提供了可能。

树立“有用”的标杆

“有用”是白功勋科研中的一个重要目标。近年来，白功勋从新型发光材料设计制备和光谱调控入手，选择适宜的掺杂离子和新型无机基质，通过调制局域结构和施加物理外场调控发射光谱，构筑发光复合材料和器件，解决了无机发光材料应用中的一系列关键科学和技术问题。

在郝建华教授的指导下，白功勋与同事一起探索光电和力光耦合新特性，发展了可以感知应力和电致发光的柔性发光复合材料。这有助于他们基于压电光子学效应制成能够及时检测应力强度以及结构破坏位置的智能应力分布图像传感器，用以实现非破坏性应力检测和应力可视化。此外，基于金属离子激活发光材料及其先进复合多功能材料，他还发展了一系列新型光电功能器件，如：以石墨烯为电极的柔性电致白光发光器件，能够将应力或磁场能转换为光子发射的荧光传感器，以及捕获机械能和磁场能并将其转换为电能的纳米摩擦发电机等。相关成果在Adv. Mater.、Adv.Funct.Mater.、Nano Energy等期刊发表后，引起了英国皇家化学会会士、瑞士洛桑联邦理工学院终身教授J.G. Bünzli，国际著名期刊Optical Materials Express主编M.G. Brik教授等国内外知名学者的广泛引用，获得好评。

数年下来，白功勋在领域内重要学术期刊上发表了50余篇发光材料论文，被引用超过1600次，h指数25。2014年以来，他在国际荧光峰会、国际压电电子学及纳米发电机会议、第七届全国掺杂纳米材料发光性质学术会议等国内外会议上作口头报告多次，同时受到西安交通大学、中山大学、湖南大学等国内知名高校邀请参加其举办的国际青年学者论坛。2016年白功勋入围香港科学会青年科学家奖；2017年受邀任Advances in Condensed Matter Physics客座编辑；2018年入选浙江省高等学校“钱江学者”特聘教授；现在还担任中国稀土学会玻璃陶瓷专业委员会、全国材料与器件网光电材料专业专家委员会委员。可谓成绩不菲。

年过而立的白功勋正处于科研的黄金年龄，十分珍惜机遇。自2017年年底受聘为中国计量大学材料科学与工程学院研究员以来，他不仅得到了该校引进人才科研启动项目支持，还主持起光电功能材料及计量检测实验室建设。目前，国家自然科学基金项目“稀土离子在二维层状硒化物基质中的近红外发光特性”也在有条不紊地展开，他期望未来能做出更多“有用”的成果。