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《發光學報》創刊於1980年，月刊，由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國物理學會發光分會主辦，發光學及應用國家重點實驗室協辦，是一本以發光學、凝聚態物質中的激發態過程為專業方向的綜合性學術刊物。現任名譽主編是徐敘瑢院士、範希武研究員和王立軍院士，主編是申德振研究員，副主編是江風益院士、劉益春教授、湯子康教授、徐春祥教授和張洪傑院士。自創刊以來，《發光學報》不斷發展壯大，被國內外多個知名資料庫收錄，包括EI、Elsevier Scopus、INSPEC（英國《科學文摘》）、CA（美國《化學文摘》）、CSA（美國《劍橋科學文摘》）、中國科學引文資料庫（CSCD）、中國科技論文與引文資料庫（CSTPCD） 、中國科技期刊資料庫（CSTJ）等。
為紀念創刊40周年，《發光學報》特推出「青稞論道」專欄，悟創新之道，彰促進之法，論發光未來，展青科風採。
本期目錄
1. 鈣鈦礦發光：多學科深度交叉融合
2. 光功能納米材料與腫瘤光學治療展望
鈣鈦礦發光：多學科深度交叉融合
王建浦*，彭其明
南京工業大學先進材料研究院, 江蘇省柔性電子重點實驗室
摘要：現代科學既高度分化又高度融合，多學科交叉極大地推動了科學的進步，不斷孕育出新的研究範式和變革性科技。本文基於作者自身的研究經歷，以鈣鈦礦發光器件的構築和出光結構為切入點，闡述多學科深度交叉融合在鈣鈦礦發光的發展中所起的推動作用。
1 引言
多學科交叉融合是現代科學發展的特徵。近現代科學前沿的重大突破和原創性成果的產生，大多是多學科交叉融合的結果。近半數諾貝爾獎成果是基於多學科交叉融合取得的，且這種趨勢愈發明顯。世界主要大國和知名科學機構普遍高度重視建立學科交叉研究中心，推動多學科交叉融合與發展。我國相關部門近年來也十分重視多學科交叉融合。2018年，教育部、財政部、國家發改委聯合印發了《關於高等學校加快「雙一流」建設的指導意見》，明確要求大力促進多學科深度交叉融合，構建協調可持續發展的學科體系，打破傳統學科之間的壁壘，在前沿和交叉學科領域培植新的學科生長點。2019年，國家自然科學基金委提出依據科學問題的屬性來確定的新時代科學基金資助導向。其中一類即為「共性導向，交叉融通」，旨在以共性科學問題為導向，促進不同學科的交叉融合，使科學基金成為人類知識的倍增器。2020年, 教育部發布了《未來技術學院建設指南(試行)》，提到要堅持交叉融合，探索人才培養新模式，探索未來專業交叉融合機制，加大學科交叉融合力度。
金屬滷化物鈣鈦礦是指具有ABX3型晶體結構的一類半導體光電材料, 通常A位置為甲胺等有機陽離子, B位置為鉛、錫等二價金屬陽離子, X位置為溴、碘等滷素陰離子。這是一類近乎全能的光電材料, 其在光伏、發光、光探測、催化等一系列領域都表現出優異的性能。值得注意的是，作為新興明星材料，鈣鈦礦自被研究伊始，就具備典型的多學科深度交叉融合的特徵。在其發展歷程中，湧現出無數物理、化學、電子、材料、光學、大數據等學科背景的研究者，從不同的角度，不斷地加深著我們對這類材料的理解。本文無意詳述這一波瀾壯闊的發展歷程，作為鈣鈦礦發光的率先研究者之一，筆者僅以鈣鈦礦發光二極體的器件製備和出光結構為切入點，闡述多學科深度交叉融合在鈣鈦礦發光的發展中所起的推動作用。
2 PeLED的器件構築：物理化學交叉
鈣鈦礦發光二極體(PeLED)有著與有機發光二極體(OLED)類似的器件結構，都是發光層夾在電子和空穴傳輸層之間構成三明治結構[。事實上，PeLED的高速發展在一定程度上也得益於從OLED研究中借鑑的經驗。然而，在器件發光層的構築上，PeLED與OLED卻有著極大的不同。通常，製備OLED時物理和化學分工明確。化學家負責材料的合成，一旦材料被製備出來，其性質就基本確定；物理研究者對器件結構的優化(如能級調控等)更多地體現在有機材料的選取和物理參數(膜厚等)的調控上，因為分子之間僅為簡單的堆疊，極少發生化學反應。
與有機發光不同，鈣鈦礦材料的合成與成膜是同時進行的，體現出物理與化學的高度交叉。鈣鈦礦和功能層以及界面層之間經常發生強化學作用，界面的性質會影響沉積其上的鈣鈦礦層結晶度、形貌、缺陷性質和能級結構等。2014年，筆者團隊研究綠光PeLED時，發現在電子傳輸層氧化鋅(ZnO)上增加一層有機界面材料(PEIE)後，不僅界面勢壘會得到很大改善，而且晶體質量大大提高，缺陷明顯變少，鈣鈦礦層表面也更加平整，薄膜覆蓋率更高。基於此，我們實現了當時最高效率(3.5%)的紅光PeLED和最大亮度(20 000 cd·m-2)的綠光PeLED。之後研究者發現，ZnO層可使有機陽離子去質子化從而有效地促進鈣鈦礦的結晶——ZnO上能夠形成高質量的鈣鈦礦膜，而同一前體溶液卻未能在TiOx和SnO2上形成鈣鈦礦膜。此外，將具有鈍化功能的基團(例如路易斯鹼/酸基)連接在界面材料上，能夠進一步修復鈣鈦礦的表面缺陷。
另一個例子是多量子阱(Multiple quantum well)鈣鈦礦發光器件的製備。無機LED的多量子阱結構是通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)等方式交替沉積具有不同帶寬的晶體層，例如GaN/InGaN，其過程雖然涉及化學反應，但勢阱和勢壘卻是通過物理方式來精確控制。與無機多量子阱LED不同，鈣鈦礦多量子阱的製備過程中物理化學缺一不可。鈣鈦礦多量子阱通常由金屬滷化物八面體無機層(勢阱)和大尺寸有機陽離子層(勢壘)構成。製備過程中，需要在前驅體中混合大尺寸有機陽離子、小尺寸有機陽離子、二價金屬陰離子以及滷素離子，通過調節各成分的比例、溶液的濃度、成膜的時間、退火的溫度等條件，從而實現對鈣鈦礦多量子阱的調控，充分體現了物理與化學的學科交叉特徵。2016年，我們提出採用多量子阱鈣鈦礦構築PeLED, 使PeLED的器件效率首次突破10%大關。
3 PeLED的出光結構：光與電的融合
對於面發光LED，例如OLED，70%~80%的光子都會以波導模、基底模等模式限制在器件內部，致使器件的耦合出光效率僅為20%左右。為了提升OLED的耦合出光效率，人們提出了多種方式。例如，在基底上製備光柵結構或光子晶體結構破壞波導模式和等離激元模式，或在基底上製備微透鏡等微結構提取限制在基底模中的光子。但歸根結底，對於OLED，器件的電學性質和光學性質的優化是各自獨立、分開進行的。
鈣鈦礦器件出光結構的優化卻很大程度上體現了光學與電學性質的深度融合。相比於有機半導體，鈣鈦礦通常具有更高的折射率，使更多的光以波導模式限制在器件內部。因此通常的看法是，PeLED的耦合出光效率要比OLED更低。然而，研究結果表明，很多時候PeLED天然就具備優良的出光結構，從而使其光提取效率遠大於預測值。例如，2018年，我們通過一種簡單的低溫溶液法，實現了由一層非連續、不規則分布的鈣鈦礦晶粒和嵌入在鈣鈦礦晶粒之間的低折射率有機絕緣層組成的發光層。這種鈣鈦礦層具有凹凸起伏的非周期性結構，有效地降低了器件中的光波導模，從而將光提取效率從20%左右提高到了30%。使用該方法製備的PeLED外量子效率達到20.7%。值得注意的是，這種出光結構是在製備鈣鈦礦層時自發形成的，避免了複雜的光學結構製備工藝，使得器件的電學性能幾乎不受影響，並且保留了朗伯體面光源所具有的視角無關電致發光特性。不僅如此，合理選擇的絕緣層能夠鈍化鈣鈦礦晶粒的表面缺陷，大大提升鈣鈦礦的螢光量子產率。我們注意到，這一發現隨後也得到了同行的廣泛驗證。以上特徵均充分體現了PeLED電學與光學性質的一體性。
4 展望
現代科學既是高度分化又是高度綜合的，學科分化與融合併進，傳統學科不斷分化出新的分支，而學科交叉研究不斷地發展出新的研究領域，重視學科交叉融合將使科學向著更深層次和更高水平發展。從鈣鈦礦發光的幾個方面，我們看到了多學科深度交叉融合如何起到了至關重要的作用，這一作用也必將延伸下去，推動鈣鈦礦發光發展成真正實用化的技術。我們期待更多研究領域中的多學科深度交叉融合，突破傳統思維屏障，孕育出新的科學研究範式和顛覆性的技術創新。
論文地址
作者簡介
王建浦，博士，南京工業大學教授，博士生導師。國家傑出青年科學基金獲得者（2017），「長江學者」特聘教授（2018），現任先進材料研究院常務副院長，江蘇省柔性電子重點實驗室常務副主任，國家自然科學基金重大研究計劃集成項目（項目名稱：基於維度調控的高性能鈣鈦礦發光）與國家重點研發計劃-中國與歐盟合作項目（項目名稱：鈣鈦礦光電子）負責人。獲得江蘇省「雙創計劃」、江蘇省傑出青年基金、江蘇省特聘教授等人才項目支持。參與創辦自然出版集團旗下學術期刊npj Flexible Electronics並任常務副主編，任中國科協和美國科學促進會聯合創辦的旗艦學術期刊Research副主編，以及美國化學會期刊Journal of Physical Chemistry Letters編委。於2009年獲劍橋大學卡文迪許實驗室博士學位，曾在三星電子韓國總部從事有機發光（OLED）顯示的研發工作，解決了全色顯示面板壽命受限於藍光器件的問題，發明專利已得到大規模商業應用。目前主要研究興趣為有機及鈣鈦礦光電子器件與物理，是國際上鈣鈦礦LED相關研究的開拓者之一，多次創造鈣鈦礦LED效率紀錄，引領了此領域的發展。成果以第一或通訊作者身份發表在Nature、Nature Photonics等高水平期刊上，併入選2016年度「中國高等學校十大科技進展」、2018年度「中國科學十大進展」30項候選和2019年度「中國光學學會光學科技獎」一等獎。
彭其明，博士，南京工業大學副教授，國家優秀青年科學基金獲得者（2020）。2015年在吉林大學獲得物理化學博士學位，2015-2016年在深圳市華星光電技術有限公司OLED研發中心擔任主任工程師，2017年加入南京工業大學先進材料研究院工作至今。長期致力於有機/鈣鈦礦光電器件及其物理問題的研究：首次實現了雙線態激子發光的OLED，突破了傳統有機電致發光理論框架，從源頭上解決了三線態激子利用問題；發展了一種利用磁場效應原位研究LED的方法，闡明了器件中的多種物理機制；率先實現了外量子效率超過20%的頂發光鈣鈦礦LED。近年來，在Nature Materials、Light: Science & Applications、Advanced Materials等高水平學術期刊上發表論文40餘篇，被引用2000餘次，H指數19；參與撰寫學術專著3部；以第一發明人獲授權美國專利2項、中國專利4項；主持多項國家級和省部級科研項目。
光功能納米材料與腫瘤光學治療展望
劉 莊*，馮良珠
蘇州大學，功能納米與軟物質研究院
摘要：近二十年來，光功能納米材料因其具有優越的光熱轉化與光敏化能力而被廣泛研究用於腫瘤光學治療，並展現出了良好的臨床轉化潛力。本文結合作者自身的科研經歷，展望了基於光功能納米材料的腫瘤光學治療在其未來的臨床轉化過程中所面臨的挑戰與機遇，倡導相關科學家直面制約腫瘤光學治療臨床轉化的若干問題，共同推進腫瘤光學治療在臨床中的應用，早日造福廣大腫瘤患者。
1 引言
惡性腫瘤(即癌症)是嚴重威脅我國居民生命健康的重大疾病之一。鑑於目前臨床常用的手術、化療、放療等腫瘤治療手段存在著療效有限、毒副作用大等缺點，發展更為安全、高效的腫瘤治療手段一直是多個學科的一個共同的目標。近二十年來，得益於納米技術的飛速發展，一系列具有獨特光學性質的納米材料(光功能納米材料)被成功地製備出來，並在腫瘤治療方面展現出了良好的應用前景。與傳統的腫瘤治療手段相比，腫瘤光學治療具有創傷小、毒副作用低、選擇性好等優點。因此，大量具有光熱轉化能力的納米材料(如：碳納米材料、金納米結構、二維拓撲絕緣體納米材料、有機聚合物與小分子)以及具有光敏化能力的納米材料被廣泛研究用於腫瘤光熱治療或光動力治療。最近，美國萊斯大學的Halas教授在一項Ⅱ期臨床試驗中，利用金納米殼的光熱效應來治療前列腺癌患者並取得了良好的治療效果。然而，目前大多數的研究都聚焦在光功能納米材料的設計構建，僅在細胞水平和小動物水平對其腫瘤治療效果進行初步評價，尚未深入探究其臨床轉化潛力。鑑於腫瘤光學治療良好的臨床轉化前景，將來我們在這一前沿交叉領域的研究必須努力克服制約其臨床轉化的諸多問題，加快推進其在臨床腫瘤治療中的應用。
2. 腫瘤光熱治療臨床轉化所面臨的挑戰與機遇
腫瘤光熱治療是利用光熱試劑(即吸光納米材料)在雷射照射下產生的熱量來直接殺滅腫瘤細胞，其核心在於發展具有良好生物安全性與高效光熱轉化效率的光熱試劑。目前，制約腫瘤光熱治療臨床轉化的主要問題有以下幾個方面：(1)光熱試劑的體內滯留時間長且難以分解代謝；(2)光熱試劑的光熱轉化效率有待提高；(3)光熱試劑的腫瘤遞送效果較低且存在明顯的個體差異；(4)激發光的組織穿透深度有限(<1 cm)且易造成周邊正常組織損傷等。
考慮到目前絕大多數的納米材料，尤其是無機納米材料，靜脈注射後會在肝、脾等器官長時間地富集，進而對機體造成潛在的毒副作用。因此，我們在開發光熱試劑時必須重點考察其生物安全性，我們應該集中精力開發在生理條件下可快速分解代謝且元素組成更為安全的納米材料；同時，我們應發展血紅蛋白、黑色素等內源性的吸光材料作為腫瘤光熱試劑。另外，由於腫瘤光學治療中常用的近紅外雷射的組織穿透深度小於1 cm，目前腫瘤光學治療僅對淺表組織的一些小體積腫瘤具有比較好的治療效果，而在大體積腫瘤與深部腫瘤的治療方面存在著明顯的局限性。儘管可以通過増加激發光的功率來提高腫瘤光熱治療的效果，但這必將會對腫瘤周邊組織造成較為明顯的損傷。針對這一問題，一方面，我們可以開發具有高光熱轉化效率的吸光材料，例如，彭孝軍院士最近構建了一種基於氟硼二吡咯分子的自組裝納米顆粒，其光熱轉化效率高達88.3%；另一方面，我們可以通過將光熱治療與介入治療、手術切除(術後淋巴結光熱清掃)、免疫治療等方法有機整合來協同殺滅腫瘤，這將進一步拓展光熱治療的應用範圍。除此之外，我們還可以通過優化其表面修飾、偶聯靶向分子等策略來提高光熱試劑的腫瘤富集效果；同時，我們還亟需開發具有更好普適性的腫瘤靶向策略，來減少因個體差異造成的材料富集差異。
3. 腫瘤光動力治療臨床轉化所面臨的挑戰與機遇
腫瘤光動力治療是利用光敏劑在雷射照射下將氧氣分子轉化成具有細胞毒性的活性氧自由基來殺滅腫瘤細胞。目前，光動力治療已在多個國家被批准用於治療食管癌、膀胱癌、肺癌等腫瘤，以及鮮紅斑痣、尖銳溼疣等皮膚病。但是，受制於光敏劑光敏化效率低、雷射的組織穿透深度小、病灶部位的氧氣濃度低等原因，光動力治療目前在治療範圍與治療穩定性方面還存著一定的不足，而且與其他治療手段相比，其治療效果也未體現出絕對的優勢。此外，由於小分子光敏劑經靜脈注射後會在皮膚等器官長時間的富集，這將會給患者帶來嚴重的毒副作用。
近年來，得益於納米醫學領域的快速發展，我們可以通過構建合適的納米遞送體系提高光敏劑的腫瘤遞送效率來提高光動力治療的療效。在此基礎上，我們有望通過構建刺激響應性納米遞送載體來實現光敏劑在腫瘤部位可控激活，以避免光敏劑對皮膚等組織造成嚴重的光毒性。與腫瘤光熱治療類似，我們可以通過結合光纖介入或利用內源性生物發光等手段來解決光源對光動力治療療效的影響，同時還能夠推進光動力治療在大體積腫瘤和深部腫瘤的臨床治療中的應用。另外，鑑於光動力治療能夠通過誘導腫瘤細胞發生免疫原性死亡而誘導機體產生特異性的抗腫瘤免疫反應，有研究表明通過將光動力治療與免疫佐劑、免疫檢查點阻斷劑等聯用後可以有效地提高腫瘤治療效果。除此之外，我們認為通過提高腫瘤部位的氧氣供應來提高光動力治療的療效也將是一種行之有效的策略。
4 展望
到目前為止，腫瘤射頻消融、微波消融、高強度聚焦超聲(HIFU)、以及基於磁性納米顆粒的磁熱治療等已經被批准用於相關腫瘤的熱消融治療，傳統光動力治療已經被批准用於腫瘤皮膚病等的臨床治療，多種納米遞送體系(如DOXiL，Abraxane)也被批准進入臨床應用。我們認為這些成功的經驗將有力地推動腫瘤光學治療的臨床轉化進程。但在此之前，我們必須解決光功能納米材料的生物安全性、光熱轉化或光敏化效率、腫瘤靶向遞送效率等問題，光功能納米材料的開發將是腫瘤光學治療臨床轉化進程中的限速步驟。同時，受制於激發光的組織穿透深度能力不足，腫瘤光學治療必須與光纖介入等技術結合，這樣才能拓展其臨床應用範圍以及對大體積腫瘤和深部腫瘤的治療效果。另外，由於腫瘤光學治療能夠有效地刺激患者的免疫系統並產生特異性的抗腫瘤免疫反應，將腫瘤光學治療與免疫治療聯用有望進一步提高對原發腫瘤和轉移腫瘤的臨床治療效果並有效防止腫瘤復發。綜上所述，儘管腫瘤光學治療是一種較為新穎的治療手段且存在著需要亟待解決的問題，但我們始終認為腫瘤光學治療的臨床轉化是有據可依、有章可循的，腫瘤光學治療有望在不遠的將來造福廣大癌症患者。
論文地址
作者簡介
劉莊，2008年於美國史丹福大學(Stanford University)獲得化學博士學位；2008年至2009年在史丹福大學化學系以及醫學院從事博士後研究。2009年6月加入蘇州大學功能納米與軟物質研究院，被聘為教授，博士研究生導師。在納米生物材料領域從事研究，近年來在納米生物材料的設計構建、基於納米技術的腫瘤微環境調控以及基於生物材料的腫瘤免疫治療方面取得了一系列創新成果；共發表學術論文300餘篇，論文總引用超過50,000次，SCI H-index 125。2015年獲國家傑出青年基金資助；2018年入選長江學者特聘教授；2015年受邀成為英國皇家化學會會士（RSC Fellow）；2019年入選美國醫學與生物工程學會會士（AIMBE Fellow）；2015-2019年連續入選湯森路透社(Thomson Reuters)發布的「全球高被引科學家」（Highly Cited Researchers）（化學、材料）；任生物材料領域國際著名期刊Biomaterials雜誌副主編和多個國際主流期刊編委。
馮良珠，2015年蘇州大學獲得化學博士學位；2015-2016年澳門大學中華醫藥研究院從事博士後研究。2016年11月加入蘇州大學功能納米與軟物質研究院，被聘為助理教授，2018年7月晉升為副研究員。近年來圍繞仿生納米生物材料的設計構建、腫瘤微環境調控與腫瘤聯合治療等方面開展研究。迄今，在Chem., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Biomaterials, Small等國際知名期刊上發表學術論文90餘篇，他引11300餘次，SCI H-index 44，2019年入選了湯森路透社(Thomson Reuters)發布的「全球高被引科學家」（Highly Cited Researchers）。
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☞ 本文編輯：趙陽
☞ 來源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心
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原標題：《《發光學報》創刊40周年特別專欄 | 青稞論道（第11期）》
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