“算”出广阔天地
——记深圳国际量子研究院研究员谢灏源
2024-02-01
1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）在俄罗斯乌拉尔山探险时，第一次发现了天然矿物钛酸钙（CaTiO3）晶体。为向俄罗斯地质学家列夫·佩罗夫斯基（Lev Perovski）致敬，古斯塔夫将其命名为“钙钛矿”（Perovski）。但此后的170年中，科学家们都没能从钙钛矿材料上真正挖掘出宝藏。直到2009年，日本科学家尝试将金属卤化物钙钛矿材料用于太阳能电池的开发，虽然太阳能转化率只有3.8%，却播下了一颗火种。
当钙钛矿材料在太阳能电池领域堪堪迈出一小步时，它的前辈“晶硅”早已凭借成本和效率上的优势，成为领域内的顶流了。不过，晶硅太阳能电池头顶也悬着一把达摩克利斯之剑——转化效率高，但29.43%是它的理论极限值，晶硅电池的上升之路似乎越来越狭窄。要想破局，必须寻找新的替代品。钙钛矿材料就是这颗希望之星。短短十几年中，它的太阳能转化率从3.8%一路狂飙至25.2%。同样的跃升之路，晶硅电池足足用了半个世纪。
“它们比那些传统的硅电池要更便宜且更容易生产。钙钛矿电池还没有像商用太阳能电池那样有效，但它们正在快速不断地得到改善。”2013年，钙钛矿被美国《科学》杂志评为年度十大科学突破之一，并为其打上了“新一代太阳能电池材料”的标签。诚如其言，10年后的今天，钙钛矿电池还没能大规模产业化，但它在被晶硅统领的光伏世界撕开了一道缝隙，照亮了未来。
深圳国际量子研究院研究员谢灏源，也极为关注钙钛矿材料的发展，比如钛钙矿型Ca2TiMnO6。他发现，近年来，围绕这一材料展开的工作多半是在探讨磁电耦合。而他想要尝试从第一原理与密度泛函理论去研究晶体结构，以及光、力学性质等。
“我们发现了它的直接带隙是能激发光子、基于由下自旋所产生的，这能让我们更加深入地了解它的特性。而在这一方向上，以前还没有人深入研究过。”谢灏源说。
在双钙钛矿结构上下功夫
“钙钛矿是一种在地球上发现的稀有矿物，其晶体结构可以表达成ABO3。”谢灏源解释说，这一结构可以视为两种阳离子被氧原子连接起来；而Ca2TiMnO6则是一种双钙钛矿结构，其中包含了两种以上的阳离子，它们会在晶格中产生扭曲，并使晶格旋转。“这种结构将会改变光学、电学和弹性性质。”他说。
一个重要的事实是，基于Fe3+同Mo5+的铁磁性耦合，钙钛矿型Ca2TiMnO6是富有强铁磁性的物质，在双钙钛矿中可谓独树一帜。科学家将化合物的价态和自旋联系起来，探求这一物质的结构特性。为了摸清其底细，谢灏源团队想通过密度泛函理论（DFT）的模拟实验软件Materials Studio来研究这个晶体结构。
作为一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法，密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理的和计算化学领域最常用的方法之一。通过这一方法，谢灏源团队可以从双钙钛矿的能带图中看到它的磁性所产生的旋转，从直接到间接的能间隙变化，令材料能发光。“我们希望能做一个电压曲线I-V图，用实验室等设备来测试与开发以双钙钛矿材料为主的新太阳能电池。”用谢灏源的话说，这一研究可以为太阳能带来新材料的期望。
一言以概之，谢灏源的研究是围绕物理性质和材料模拟计算展开的。“从前，物理学一般分为实验与理论两种类研究。但随着计算机及量子理论的发展，物理性质研究和材料模拟计算已成为物理学的第三分类。”
但在研究过程中，谢灏源及其团队发现，严格的密度泛函理论（DFT）难以在纳米结构系统（如双钙钛矿）中实现，必须从方法上进行创新。这也令他们严阵以待。“我们运用第一性原理计算的方法（平面波赝势方法），来解决各种实际问题。”他进一步解释起来，这里面包括电子结构的优化（晶胞参数、原子生标），电子态密度、光学性质计算（拉曼光谱、电子能量谱、光频介电常数/虚部、吸收系数、光导率实/虚部），以及力学性质计算（泊松比、体膜量、硬度、弹性力常数张量）等基础研究。而英国剑桥大学所研发的CASTEP计算软件也令他们的研究如虎添翼。最终，他们在复杂的钙钛矿块体系中发现了相当的结构，具有I4/m（#87）空间群和晶格参数为a=b=c=5.32.；他们采用局部密度处理交换相关电位近似法，计算采用自旋极化法，能带隙上自旋、净零自旋和下自旋分别为1.051eV、0.988eV和1.806eV；同时，他们还发现了磁元素Mn对自旋诱导时的能带结构产生了一定的影响，而能量带隙是通过从净零自旋态到上自旋态的63meV，并有效阐明了能带结构发生变化的原因是在上旋、下旋和净零旋之间出现了3d5轨道态的位移。
谢灏源表示，这项工作在后期将会进一步扩大。而他们的工作也得到了中国科学院院士俞大鹏的支持，并与其领导的团队开展了深入交流与合作。
“我们所有出色的工作和努力，最终将会为物理材料工程领域的发展作出宝贵的贡献，从而有可能使用我们已有的数据对这种材料进行更深入的研究。”谢灏源说。
脚踏实地通大道
谢灏源是一个低调的人，哪怕在此前极为关注的钙钛矿研究上，他所言也不多。作为一名青年科技工作者，谢灏源只希望脚踏实地地走好每一步。
2007年，谢灏源从英国伦敦大学电子与电气工程专业本科毕业。同年，他拿到英国研究博士培训账户奖助金（doctoral training account/DTA），前往曼彻斯特大学电子工程系攻读博士学位。“我最感激的导师有3位。”谢灏源诚恳地说。他特别强调了在伦敦大学时遇到的伊扎特·达尔瓦泽（Izzat Darwazeh）教授。“在辅导学生时，他总是能够将知识深入浅出地解析出来，这令我印象十分深刻。”导师的细心与耐心，以润物无声的形式促使他对科研产生了更深入的兴趣。而攻读博士期间，谢灏源师从悬浮石墨烯技术的学术发明者马克斯·米廖托拉（Max Migliorato）博士。“他的研究重点是新电子材料的理论建模和应用。”谢灏源介绍说。在导师的指导下，谢灏源在4年中成功完成了GaAs/InAs非线性压的相关理论研究，顺利从曼彻斯特大学毕业，并在《物理评论B》《纳米能源》《应用物理学杂志》等期刊上发表了重要文章。
“我最后想感谢的人是俞大鹏院士。”谢灏源说。他们结缘于2013年。彼时，谢灏源已经博士毕业，回国后在北京大学物理学院从事博士后工作，合作导师就是俞大鹏（2015年当选中国科学院院士）。俞大鹏院士长期致力于人工低维纳米结构的制备、物理性质表征及器件效应的研究，是国际半导体纳米线材料应用基础研究的引领者。在俞大鹏院士的指导下，在李新征副教授的热心帮助下，谢灏源将氧化锌纳米线对线弯曲的非线性应变梯度效应作为研究课题，开展了一系列电子结构及能带计算，仅用两年，他就解决了课题设置的问题。其间，他还以访问学者的身份回到曼彻斯特大学，开展联合攻关工作，研究有关3-5族核壳（CSNW）的电压。“回去了将近半年，在那边，课题领导者还是我的博士导师。”谢灏源补充道。基于这部分工作，他们推出了一系列高水平论文，发表在《美国物理联合会网络版会议录》和《纳米能源》中。
此后，一直到2020年年底来深圳之前，谢灏源还经历了一些工作变迁。2016年，他在英国卢顿大学担任副研究员，在课题组长希克里·哈查（Shyqyri Haxha）博士的引领下，从事与马赫-曾德尔调制器有关的紧凑模型电路仿真分析研究；第二年，即以特聘副教授身份回国，前往刘应开教授所属的云南师范大学物理与电子信息学院任职，除正常科研外，还承担了“电路分析原理”“光电子材料与器件”等课程教学工作。去深圳，则是他深思熟虑后的选择。“俞大鹏院士在深圳成立国际量子研究院，对我们这些科研新手来说，是一个难能可贵的机遇。”
深圳国际量子研究院（以下简称“量子院”）与南方科技大学渊源颇深。2016年，俞大鹏在南方科技大学成立了量子科学与工程研究所。两年后，这个研究所演变为深圳市量子科学与工程研究院。这也是量子院的前身。2021年，在深圳市科技创新委员会、南方科技大学、福田区政府等单位支持下，依托深圳市量子科学与工程研究院，一家独立法人事业单位“量子院”正式成立，由俞大鹏院士担任院长。作为深圳科技创新行动计划首批启动建设的十大基础研究机构之一，量子院致力于打造量子科技国际创新高地，离科技前沿近，离产业化更近。谢灏源相信，在这里，他将走进更广阔的天地。“加入量子院之后，我的工作就得到了河套深港科技创新合作区的支持。”他说。
诚如其言，仅在2022—2023年期间，谢灏源就发表了十多篇文章，其中最为典型的就是关于硅掺杂氧化镓（Si-doped Ga2O3）晶体结构的研究。作为第四代半导体材料代表，氧化镓具有禁带宽度大、临界击穿场强高、材料生长成本低等优点，也是全球半导体技术争抢的高地。透过Si（硅）材料杂栅的过程，谢灏源和团队通过第一性原理的泛函理论的简单平面波赝势计算，发现硅杂量越少，能带值也会成正比减少。2021年，这一研究发表在《计算凝聚态》杂志中，有望为氧化镓材料制备提供参考。
而在2022年《国际现代物理杂志B》刊发的一篇文章中，谢灏源对碲（Te）元素进行了二硒化锡（SnSe2）杂栅的材料研究。通过吸收光谱，他们发现碲元素中的物质可以对二硒化锡材料晶体做出“拉伸”的效果，并出现“红移”的现象。“我相信这对电子输运有一定的影响。我们在能带图中所计算到的g值可以证实这一点。”谢灏源表示。
到现在，谢灏源已经发表了近40篇文章，其中包括《国际现代物理杂志B》《现代物理快报B》《计算凝聚态》《美国物理联合会进展》《材料研究快报》等国际期刊。“我们希望能够在新理论、新材料及新应用等方面做出创新，并能够将科学研究的成果写成文章，发表到高水平期刊上，为其他研究人员抛砖引玉。”他说。
如今，谢灏源到深圳已经两年多了，他迅速适应了量子院的发展节奏，并在这棵茂密的大树上努力伸展属于自己的枝叶。未来几年，他的工作重点还将放在与量子计算应用，以及光电、感应器件有关的材料上。他希望能够有更多机会走出去，也能邀请到更多专家前来量子院开展多种形式的学术交流。
一个年轻人在一个年轻的平台上，谢灏源保持着不断学习、完善自己的心态。对他来说，当务之急就是务实求真、努力上进，为将来的工作打下坚实的基础。在量子院，他已经坚定地迈出了第一步。他也希望能够有更多志同道合的年轻人加入团队，团结一致，走出一条坚实的通天大道。
专家简介
谢灏源，现任深圳国际量子研究院研究员、南方科技大学访问学者。2007年本科毕业于英国伦敦大学学院；2012年获英国曼彻斯特大学博士学位；2013—2015年，在北京大学物理学院从事博士后研究；2016年在英国贝德福德大学担任副研究员；2017年起，在云南师范大学物理与电子信息学院担任特聘副教授；2020—2021年，担任深圳市福田区南科大量子技术与工程研究院研究助理教授。以第一作者发表近40篇文章，包括国际期刊《国际现代物理杂志B》《现代物理快报B》《材料研究快报》等。
来源：科学中国人 2024年第1期
点击图片查看原图
