缺陷調控是光電半導體的核心研究方向，通過摻雜等方法可以實現缺陷調控，從而改變光電材料的濃度、空間位置、能級位置等，展現出豐富的光電特性，滿足不同場景的需求。
老一輩科學家樹立了榜樣，現在國家有需要，年輕科學家也要挺身而出，國家對科研的支持力度越來越大，我們要在國家需要中尋找自己感興趣的研究方向，投身其中，主動尋找切實可行的研究方向。
中科院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室主任、研究員邵宇川在操作低溫探針站。本文所有圖片均由受訪者提供
性能優異的光電半導體材料與器件在能源、信息、國防等重大領域發揮著支撐作用。鈣鈦礦作為光電半導體材料之一，憑借高效、輕薄、柔性、顏色等優勢，被廣泛應用于各類電子器件中。目前，鈣鈦礦缺陷調控已成為光電半導體領域的核心研究方向?！巴ㄟ^摻雜等方法進行缺陷調控，可以改變光電材料的濃度、空間位置、能級位置等，展現出豐富的光電特性，滿足不同場景的需求。”中科院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室主任、研究員邵玉川近日在接受專訪時表示。
邵昱川長期從事鈣鈦礦光電半導體及相關物理機制研究，在器件性能提升、新型結構開發、界面工程等研究方向取得了一系列創新性成果。今年8月，邵昱川以“光電半導體缺陷調控”研究項目入選“上海市科技青年35領軍計劃”。讓人意外的是，現就任上海光機所光學薄膜實驗室第五任主任的邵昱川，曾是一名職業乒乓球運動員，正是這段運動生涯，將他帶入了物理學的世界。
鈣鈦礦缺陷調控多項創新研究成果
鈣鈦礦是指一類陶瓷氧化物。鈣鈦礦復合氧化物具有獨特的晶體結構，特別是摻雜后形成的晶體缺陷結構和性能，可能應用于固體燃料電池、固體電解質、傳感器、高溫發熱材料、固體電阻器以及替代貴金屬的氧化還原催化劑等諸多領域?！犊茖W》和《自然》雜志曾將鈣鈦礦太陽能電池評為2013年十大突破之一。
邵昱川團隊長期從事鈣鈦礦研究，通過對鈣鈦礦缺陷調控的研究，在提升包括太陽能電池在內的產品性能方面取得了多項發現。
邵昱川與合作者原創性地提出了鈣鈦礦太陽能電池的全新能級模型。新模型指出上海初中物理科學家，電荷傳輸層的無序性（缺陷能級分布）對器件的開路電壓有顯著影響。通過優化設計方向，使缺陷能級有序分布，可顯著提高電池效率。“此前研究人員認為，電荷傳輸層的寬窄分布對電池影響不大，但我們的研究發現，如果能把電荷傳輸層的分布做得更窄，開路電壓就能得到大幅提升。”邵昱川說。
除了調整缺陷分布，如果在材料中人為地添加缺陷，會產生什么效果呢？2021年，邵宇川與合作者首次在鈣鈦礦材料表面實現n型重摻雜，獲得了高缺陷重摻雜鈣鈦礦金屬表面，材料從半導體態變成了金屬態?！半m然我們還不能在鈣鈦礦內部摻雜，但至少可以實現表面重摻雜。我們用這個做了橫向同質結鈣鈦礦太陽能電池，效率有所提高?！?span style="display:none">ZUA物理好資源網(原物理ok網)
通過抑制缺陷，減少能量損失，大面積鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經穩定在20%，目前的世界紀錄是25%。 “但要把光電轉換效率穩定在20%以上，對缺陷的控制要求很高。在實驗室里實現25%和工業化是不一樣的。”
通過抑制鈣鈦礦缺陷，太陽能電池的壽命也能縮短。十年前，鈣鈦礦太陽能電池的壽命僅為5分鐘。目前，各個研究小組的鈣鈦礦太陽能電池壽命可以達到1000小時左右上海初中物理科學家，盡管這一結果距離電池壽命超過20年的目標還相差甚遠。
此外，鈣鈦礦太陽能電池所用的透明導電電極占到器件成本的2/3，邵宇川表示，未來將利用鈣鈦礦材料的缺陷，實現可控摻雜，擺脫透明導電電極，降低電池成本。
在研究鈣鈦礦缺陷調控過程中，邵昱川與合作者不僅發現了提升電池效率的途徑，還為鈣鈦礦高能粒子探測開辟了新方向。團隊表征了鈣鈦礦本征光電性質，在超低缺陷密度條件下，載流子擴散距離大于3毫米，比此前學術認識有顯著提升。載流子是可以自由移動的帶電物質粒子?！拜d流子可以從器件中間到達器件兩側的正負電極，載流子擴散距離增大，器件可以做得很厚。另外，鈣鈦礦中含有鉛和碘，對X射線有很強的吸收能力，鈣鈦礦可以作為X射線探測器?！鄙坳糯ㄕf，利用可控摻雜提高X射線探測器靈敏度，可以降低探測極限，實現彩色CT。“如果X射線探測器能用上國產材料，儀器成本會大大降低?！?span style="display:none">ZUA物理好資源網(原物理ok網)
乒乓球運動員變身物理天才
邵宇川被公認為上海光機所最優秀的乒乓球選手，因為他曾經是一名職業乒乓球運動員。他9歲開始練習乒乓球，初中時進入安徽省隊。雖然不到兩年就選擇退役，但這段乒乓球訓練生涯也是他癡迷研究物理世界的開始。
“發乒乓球的時候，運動員會用手捂住球，不讓對手通過發球手勢判斷是上旋球還是下旋球。但通過觀察球在空中的軌跡，也可以判斷出來。球的旋轉方向不同，在空中的飛行軌跡也不同。如果你每天都打乒乓球，就會感覺到下旋球飛得比較輕，而上旋球會往下墜。”邵宇川回憶起小時候打乒乓球的經歷說。
從安徽省隊退役回到學校后，邵宇川驚奇地發現，只需要一個簡單的伯努利方程，就能解釋自己觀察多年的乒乓球旋轉現象?！安匠痰谋举|是流體的機械能守恒，流量越大，壓強越小。乒乓球在向前飛行時會旋轉，球的上下部氣流速度不同，上旋球有向下的力，所以飛行時軌跡是向下的?！边@一發現之后，邵宇川對物理產生了濃厚的興趣，自學投入了更多時間。雖然之前因為訓練耽誤了學業，但回到學校后，他很快趕上了課程節奏。高中時他開始參加物理競賽，2005年考入中國科學技術大學物理系。
邵宇川參加乒乓球比賽。
大學畢業后，邵昱川進入上海光學精密機械研究所從事激光薄膜研究，2012年赴美國內布拉斯加大學林肯分校攻讀光電半導體博士學位，四年后又在美國耶魯大學繼續從事光電半導體博士后研究。
“與其想這個想那個，不如直接去做”
初到美國，邵昱川并不確定自己是否適合走科研這條路，與“科研大咖”相比，他覺得自己還有很長的路要走。不過，他的博士生導師、北卡羅來納大學教堂山分校教授黃金松全身心投入科研，治愈了邵昱川的精神疲憊，還成為了他的科研引路人?！芭c其想這想那，不如直接去做，你會在做的過程中找到樂趣?！?span style="display:none">ZUA物理好資源網(原物理ok網)
2015年，為了表征載流子的遷移率，邵昱川和師兄在研制對稱器件時，發現了鈣鈦礦太陽能電池正負極翻轉的現象?！耙粋€電池做出來之后，它的正負極會翻轉，這是一個很不可思議的現象?！鄙坳糯ê荏@訝，以為自己做錯了器件，但科研中的一些不合理現象，或許是一個轉折點?；陔姵卣摌O翻轉的實驗現象，邵昱川和師兄提出了很多猜想，然后通過實驗一一排除。大約一年后，他們發現電池正負極翻轉是因為鈣鈦礦電池兩邊離子摻雜不同造成的。他和師兄隨即發表論文，首次發現鈣鈦礦中的離子運動。 “大家都認為鈣鈦礦的不穩定性是由于水、氧氣、高溫等外界影響造成的，但新的研究表明，要實現鈣鈦礦的穩定性，必須抑制內部離子的運動?！?span style="display:none">ZUA物理好資源網(原物理ok網)
敢于質疑，探索實驗中的異常現象。一旦開辟研究領域，邵昱川的研究便一發不可收拾，發表了一系列科研成果。完成博士后研究后，他以高級工程師身份加入美國蘋果公司，開發了光電信號轉換的Face ID（人臉識別方法）。項目結束后，邵昱川2019年回到母校上海光學精密機械研究所，為國家需求開展科研工作。2020年底，他接任上海光學精密機械研究所光學薄膜實驗室主任。
研究人員需要服務國家的需求
在興趣的驅動下，邵玉川在研究領域取得了不少成果，但接任光學薄膜實驗室主任后，他毅然承擔起激光薄膜前沿研究的攻關重擔，把更多的精力轉向服務國家。
上海光學精密機械研究所光學薄膜實驗室是我國歷史最悠久、技術最先進的光學元件實驗室之一，建所至今已有50多年歷史，開創了我國激光薄膜產業的先河。幾代“薄膜”人突破了一系列“瓶頸”難題，持續開展著我國慣性約束聚變領域光學材料、光學加工和檢測技術等相關研究工作。
近年來，光學薄膜實驗室在高性能激光薄膜元件制備技術上取得重大突破，為我國神冠系列高功率激光器、超強超短激光器等系統提供了大量高性能核心激光薄膜元件，并為多個空間激光模型任務提供了高性能空間激光薄膜。
“實驗室的研究方向一直是服務國家需求，我們要延續傳統，除了保護好激光薄膜，還要拓展研究方向?！鄙塾翊ㄕf，“‘十四五’期間，實驗室將重點拓展激光薄膜的調制波長范圍，包括短波長薄膜、中紅外激光薄膜等?！?span style="display:none">ZUA物理好資源網(原物理ok網)
“老一輩科學家樹立了很好的榜樣，現在國家有需要，年輕的科學家也要站出來?！爆F年35歲的邵昱川是光學薄膜實驗室第五任主任，白天他在薄膜光學實驗室忙碌英語作文，拓展激光薄膜研究，晚上則管理著自己的小科研小組，攻克鈣鈦礦缺陷調控難題，他的頭發早已花白。
他在科研上兼顧國家需求和個人興趣?！翱茖W的每一個細分領域都有自己的美，只有深入研究，才能發現更多有趣的東西。”邵昱川認為，國家對科研的支持力度越來越大，要根據國家需求，找到感興趣的研究方向，全身心投入其中。同時，要主動尋找切實可行的科研方向。有時候我們在實驗室想出的研究方向，與實際的痛點并不一致，只有與需求方進行思想碰撞后，才能知道實際應用的痛點，調整研究方向，真正滿足國家需求。