創造兩項發光效率紀錄，浙大科學家有望改變OLED技術格局｜專訪

狄大衛目前是浙江大學光電科學與工程學院研究員、博士生導師，他也是澳大利亞新南威爾斯大學工程學博士、劍橋大學卡文迪許實驗室物理學博士。2019 年，他憑藉在有機發光二極體（OLED）和鈣鈦礦材料發光二極體領域的突破性研究，入選當年《麻省理工科技評論》全球「35 歲以下科技創新 35 人」。

如果換一個視角呢？放下這些履歷和標籤，你會設想，一個從小玩遊戲的男孩，也被種種物理現象吸引，探索 「未知」 與「好玩」事物的天性引領著他，一路到現在，成為一個科研工作者。

對狄大衛而言，做研究的樂趣，不亞於玩遊戲。

八年前，他拿到劍橋和牛津兩份博士錄取通知書。拍照在遊戲論壇上分享，要遮一下個人和導師的信息，他隨手用了塞爾達傳說、超級馬裡奧、生化危機的遊戲卡帶。他這樣比喻自己的科研態度，「我考慮的不只是通關，而是怎樣盡力做到完美。」

甚至科研的樂趣大於遊戲，因為遊戲的規則和內容受限於設計師的想像力，「科研更加自由，你可以做太多的事情，結果其實是不可預測的」。

從太陽能電池到發光二極體

讀第一個博士時，他的研究課題是量子點矽太陽能電池，想辦法通過調整矽的電子特性來提高電池效率。

從能量轉換方式上說，狄大衛讀的兩個博士所涉及的器件，正好是互逆的。第一個博士學位研究太陽能電池，把光能轉成電能；第二個研究有機發光二極體（OLED），把電能轉成光能。在目標上，倒是有一點相似，都要提高能量轉換的效率。

在研究量子點矽電池這種 「第三代太陽能電池」 的時候，這一點一直不盡如人意，他心裡有個聲音在嘀咕：經歷了幾年從第一代到第三代太陽能電池的研究，自己學術能力比以前強了，領域也更高深更前沿，反而做出來的電池效率還不如本科時候的，似乎離實際應用越來越遠。

當時，周圍有同學選擇進入產業，去公司做技術轉化。不過比起來，他還是更留戀基礎科研中的創造性快樂。「我想獨立做一些東西出來，無論在科學上還是技術上，有一些自己的創新。」

一次偶然的實驗，為他帶來了新的研究方向。為了測試量子點矽太陽能電池的性能，他在電池兩端加上電壓。暗室裡，電池發出了紅色的光。「亮起來的太陽能電池」，這讓他感到意外而又有趣。

按理說，矽是發光禁阻的間接帶隙半導體材料，通常不會發光。因為這個實驗，他發表了一篇 LED 領域的論文《矽納米晶 / 單晶矽異質結 LED 的電致發光》，報導了基於納米矽 / 晶體矽的發光二極體。矽這種材料本身不發光，但做成納米矽或者量子點以後，就可以突破限制發光。

在此之後，他去全球最好的 OLED 研究機構之一，劍橋大學卡文迪許實驗室讀了第二個博士。

OLED 是用有機材料製成的發光二極體，相比於傳統的液晶屏 LCD，每一個像素點都能夠自發光。因此，OLED 屏幕顯示色彩更豐富，同時更輕薄，還可以做成柔性的可摺疊屏。

自從諾基亞在 2008 年發售了第一款 OLED 屏幕的手機後，三星等公司紛紛在各自的高端機型上使用 OLED 屏。今年蘋果公司更是決定在所有的 5G 手機上使用 OLED 屏。

學界與產業界研究的共同課題是，希望提高 OLED 的發光效率和穩定性，同時降低製作成本。

步入 OLED 領域以後，狄大衛一邊閱讀文獻一邊思考，怎樣的研究才具有突破性。他認為：最好能在激子態的調控上做出貢獻，這是領域核心的科學問題。在有機半導體中，電子和空穴配對形成激子，而激子複合實現發光。因此，激子的行為與命運，會最終影響器件的發光效率。

圖 | 狄大衛在劍橋卡文迪許實驗室（來源：受訪者提供）

兩次突破發光效率

當收到校外合作者寄給實驗室的幾十種發光分子後，他花了幾個星期時間來檢測這些分子的特性，初步篩選出三四種分子，它們擁有獨特的發光現象。

這看起來似乎是他運氣好，這些發光分子恰好落在他手上，等待著被發現。「不能自大地說，換成其他人一定測不出來。但是在這幾十種材料裡面，要篩選出這三四種很特別的分子，並不是一個很簡單的過程，需要有 OLED 發光機理的知識和預判。因為這麼多東西，很容易錯過有意義的實驗細節。」

他的微信頭像是一個標著問號的方塊，金黃色的，來自任天堂的經典遊戲超級馬裡奧。遊戲裡見到了，就想操作馬裡奧用頭頂一下的那種小機關，期待著裡面會跳出什麼道具。「做基礎科研的過程其實和玩遊戲是一樣的，哪裡看起來有趣就往哪裡走，探索新大陸，發現新寶藏。」

這種特殊的 CMA 分子是他發現的新寶藏。在初步做螢光光譜實驗的時候，狄大衛和同事就發現，這種材料的螢光效率接近 100%，更意外的是，它的延遲螢光光譜會 (在納秒到微妙尺度上) 隨著時間紅移。「說明這種材料裡的激子能態分布比較特殊，存在能量比較低的單重態。」

圖 | 遊戲 Super Mario Run 中的黃金磚

OLED 工作時形成激子，一般有兩種不同的狀態：單重態和三重態。根據量子力學的一個推論，這兩種形態的能量高低不同。自旋單重態的能量高，自旋三重態的能量低。其中又只有單重態才可以發光，但它產生的概率只有 25%，剩下 75% 都是能量較低、又不發光的三重態。

為了提高發光效率，科學家們用的方法，就是讓三重態與單重態之間實現轉換。三重態能量低，很難自由轉到能量更高的單重態，所以需要引入其它機制。目前比較常見的兩種方法，一是引入重金屬元素(比如銥)，讓三重態本身能夠實現發光(磷光)，一是通過分子設計，縮小三重態和單重態之間的能量差，這樣它也能夠轉為單重態。

CMA 分子則表現出新奇的發光機制：由於分子旋轉，三重態和單重態的能量差變為零，它就能快速轉化為單重態並發光。同時，狄大衛和同事在分子中利用了常見的金屬(如銅、銀、金)，進一步提高了激子利用速率。最終，他們實現了 27.5% 的外量子效率（衡量 OLED 發光效率的指標），並用低成本的溶液法製備。這達到了真空蒸鍍法製作的高效率 OLED 的同等水平。

在他看來，CMA 分子另一個很意思的地方是「用分子旋轉調控發光」，這等於實現了分子機械能和光電性質之間的互相耦合。「這可能會是一個新的研究方向」，沿著這個思路走下去，說不定會有更多可探索的寶藏。

實現了溶液法 OLED 的效率突破後，博士畢業的狄大衛繼續跟著導師做博後。導師給他的課題是鈣鈦礦 LED。這種新型的 LED，也是從導師的課題組發展起來的。他記得導師向他提起這個課題時，非常隨意，「他說現在鈣鈦礦 LED 還不好，他說，你去解決一下這件事情。我當時想，解決一下是什麼意思……」，說到這裡，狄大衛噗嗤一聲，笑得一口氣沒喘上來。

於是，他就和當時在劍橋讀博士，正研究鈣鈦礦的趙保丹，一起去解決了。

當時鈣鈦礦 LED 的外量子效率只有 10%，他們將鈣鈦礦與聚合物相結合，很快就達到了 20% 以上的外量子效率。

他這樣理解老師給自己的建議，「因為他知道我 OLED 做的不錯，然後他說鈣鈦礦 LED 的話，你自己去玩一玩。」

圖 | 鈣鈦礦 LED 實現 20% 以上的外量子效率，100% 外量子效率，研究被選為封面文章（來源：Nature Photonic）

從科研到產業應用

狄大衛在劍橋的導師 Richard Friend 爵士，既是一個科學家，同時又推動了四五家公司的創立。

在狄大衛看來，導師對公司的運營和發展並沒有那麼大的興趣，只是順手轉化了實驗室裡比較實用的技術，自己介入並不多。而 Friend 老師的學生，牛津大學的 Henry Snaith 院士(鈣鈦礦太陽能電池的奠基人之一)，則在產業化方面有著強烈的動力。

這兩種不同的態度，讓他挺觸動。這讓他思考，如何在基礎研究和產業化研究之間尋找平衡。對於他，快樂的源頭主要來自基礎科研突破，產業化過程或許能給科研帶來正反饋，證明某項研究有意義。產業發展也能為基礎研究提供更多資源。

回國兩年，狄大衛的身份從學生轉變成為了老師，還擁有了自己的課題組，要考慮的事情一下子變複雜。之前做學生，他更像單純的玩家：導師把其它的事情都安排好了，他只負責盡情遊玩就行。「現在這個遊戲變得沒那麼容易了，從伺服器到編程到遊戲架構，都得我來負責，我還要確保遊戲機不被斷電。」

這些工作稀釋了一些快樂，不過看到學生與博士後在自己的引導下取得突破，他會有共鳴式的滿足。「我會對他們說，我們能不能這樣嘗試一下。這就像我看我的好朋友玩遊戲，在旁邊對著他說，你試試看往那個方向走一走，我感覺那邊會有好東西。」

他向學生建議的課題是鈣鈦礦 LED，沿著之前的思路繼續進行，研究通過例如光子回收等方式，進一步提高發光效率。

他沒有建議進行新型 CMA 發光器件的設計或者鈣鈦礦穩定性之類的課題。其中的主要原因是，這些研究更為複雜，容易給科研新手帶來挫敗感，他想讓學生在熟悉課題的階段建立一些自信。「直接上來（研究）穩定性，我覺得很多人都崩潰了。」

穩定性研究對產業化至關重要，需要投入大量的資金和研發精力，獲得大量的試驗結果。他覺得可以爭取資源，做一些以產業轉化為目標的研究，這可能是比較恰當的實現路徑。有一部分投資人和他聯繫，期待是未來三五年就實現大規模量產，他認為不適合他的團隊。

「儘可能不要為了獲取短期利益，而去浪費投資人或者政府的投資，我覺得這可能是一種比較負責任的思維。（對於想轉化的技術）最好先在實驗室中，確定某種技術的確有優勢，再去進行產業化。」一年前他和 Deeptech 聊天時這樣說過。

OLED 產業的核心技術之一是銥化合物磷光發光材料，這項技術完全被美、日、韓、歐的公司與學術機構壟斷。因此，其他公司生產 OLED 屏幕，每生產一個像素點，都要付一定比例的專利費。

隨著產業的進一步發展，總會有人希望突破現有專利壟斷。比 CMA 分子，或者其它新材料，都可能成為潛在方案。CMA 分子中使用了金、銅或銀等較為常見的金屬，達到與銥化合物媲美的發光效率，技術轉化需要解決的是進一步提升可靠性以及降低成本等問題。

根據《中商產業研究院》的一份報告統計，從 2011 年到 2017 年，中國 OLED 產值規模從 5.3 億美元增長到 103.5 億美元，年複合增長率達到 64.2%。

「國內的 OLED 產業剛起步，它的盈利模式並不是十分令人擔憂。雖然大多核心專利被美歐日韓壟斷，但目前還沒有對產業形成明顯的阻礙。」狄大衛分析，隨著產業升級，總有一天核心專利的缺失會成為重要障礙，眼光長遠的企業，就會考慮提前布局。

圖 | 狄大衛與浙大課題組成員在實驗室 （來源：浙江大學國合處）

「鈣鈦礦這個東西確實厲害」

聊天中，狄大衛提及頻率最高的詞是「有趣」。連談到鈣鈦礦材料目前的缺陷之一：毒性，他還是用了這個形容詞。「鈣鈦礦它比較有趣，它這個東西（光電性能）就是好，你把它變無毒了，它就變差了。」

比起一般的 OLED ，鈣鈦礦發光純度高，顯色範圍廣，但是穩定性差。「它有先天的優勢，也有不知道是不是先天的缺點（穩定性），希望不是先天的缺點。」

「那要是先天的缺點，你不是很難受，研究了那麼久？」

「並不是特別難受，並不久，這個領域 2014 年才開始真正起步，鈣鈦礦 LED 壞了也可以隨時扔掉 (笑)。」 回應完我的打趣，他繼續說 「我相信，太陽能電池如果能最終解決穩定性的話，LED 同樣也是可以的。這個只是時間問題。」 他也關心鈣鈦礦太陽能電池領域的發展，注意到穩定性一直在進步。

在他看來，要解決穩定性，還是要藉助產業化研究的思路，這個和基礎科研的發散式研究思維有些不一樣。

幾十年前，第一個 OLED 由柯達公司的研究人員發明，實現了約 1% 的發光效率。同期來自於大學的相關研究 (如狄大衛的導師，劍橋卡文迪許實驗室的 Friend 院士組發明的第一個聚合物 LED)，雖然很具前瞻性，探索新的材料，對原理進行深入分析，但同期獲得的發光效率卻只有百分之零點幾。

「技術上搶先達到指標的往往是公司。」 在他看來，這是科研工作者值得反思的地方，並且，「實用化了以後，可能在不經意間解決了許多基礎科研的問題。」

學校實驗室裡的研究更富有創造性，但是高強度、高重複性的產業式研究可能也會獲得令人驚喜的結果。

「有時我們如果能夠大規模、批量式地去做一些實驗的話，我是說真的是不厭其煩，把創造性忘掉，把一切天馬行空的跳躍性思維和理論暫時全都忘掉，在一個無趣的實驗室、一間小黑屋裡就做好這一個研究，所謂的硬骨頭可能也就啃下了。」

目前，鈣鈦礦 LED 的工作壽命只有 10-100 小時，離產業化的門檻 1 萬 - 10 萬小時還很遙遠。

狄大衛曾在卡文迪許實驗室看過同事們進行最早的鈣鈦礦 LED 研究。最初，這些器件只亮了兩三秒。他還挺不屑的，打趣說「這其實是在做閃光燈」。

現在他覺得，「鈣鈦礦這個東西確實厲害」。雖然其中的光電轉換原理很難被完全理解，研究結果卻一直在進步。

矽太陽能電池的光電轉化率從百分之十幾提高到 25%，用了 30 多年；鈣鈦礦太陽能電池從 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；鈣鈦礦 LED 的外量子效率從小於 1% 提高到 20%，只用了 4 年。

鈣鈦礦 LED 那 20%，就有狄大衛和夥伴們的參與。他從導師那兒領到了博士後課題：

我們去證明鈣鈦礦 LED 是一個很偉大的東西，它必須達到 20% 的效率。