氧化锌：绿色照明的新希望

氧化锌：绿色照明的新希望
2010-1-14 15:35:42 《科技日报》行业分类:其它浏览

--浙江大学叶志镇教授及其团队自主创新纪实

　　经过改革开放30年的发展，我国的科技创新无论是从能力上还是体制上都有了很大的发展，例如：生物、纳米、航天等科技领域已跻身世界先进水平。然而，中国目前科技创新的整体现状仍然不容乐观，其主要原因是由于我国的基础研究较薄弱，一些前沿科技仍落后于发达国家。幸运的是有那么多优秀科学家在为国家的振兴而努力工作着、奉献着。即便他们碰到各种困难，甚至遭到严重挫折也绝不轻言放弃，浙江大学叶志镇教授就是其中的一位。

　　叶志镇——浙大ZnO团队带头人

　　叶志镇教授目前主要从事半导体薄膜科学与技术研究。20多年来他一直在氧化锌(ZnO)材料物理、制备技术和光电应用领域积极探索，做了大量系统性的原创工作，成果已获得国家自然科学二等奖1项、省部科技一等奖2项、二等奖3项等，发表国际期刊（SCI收录）论文200多篇，著作2本，授权中国发明专利40项。

　　在他研究生涯中曾经获得过多项关于ZnO材料的“首个项目和奖项”：国家“973” 项目中首个有关ZnO光电材料课题、国家自然科学基金首个ZnO重点项目和首个ZnO重点项目群的项目、国家科技部首个ZnO产业化创新基金。叶志镇教授团队的“ZnO基材料生长、p型掺杂与室温电致发光”研究成果获2007年国家自然科学二等奖。

　　叶志镇提出了系列ZnO p型掺杂技术路线，学术论文被他人正面引用2500余次，有力地促进了国际ZnO研究的进展，为我国自主发展ZnO产业奠定了重要基础，是当今ZnO研究领域国际知名学者。

　　随着浙江大学在ZnO领域研究工作的深入与拓展，不断有优秀青年学者加入叶志镇团队。目前他所领导的研究团队有11位教师和40多位在读博士生、硕士生。教师队伍中有3位教授、5位副教授（副研究员）和3位博士后。他们中绝大部分是留学美国、英国和日本归来的年轻博士，围绕ZnO发光应用研究，他们有的负责材料制备与p型掺杂，有的负责物性表征和理论分析，有的负责器件设计与工艺。分工明确，合作无间，整个课题组高效运转。他们不断创新，成果迭出，成为了一个在国际ZnO材料研究界充满活力、颇具影响的研究团队。

　　叶志镇教授是浙大求是特聘教授、浙江省特级专家。他是这个团队的学术带头人，带领大家在自主研发ZnO材料及光电器件的过程中付出了很多努力，也取得过不少成绩。笔者以前曾经报道过他们团队的工作，所以一直比较关注他们课题组的动态。最近我们抱着求实的态度再次走访浙江大学叶志镇教授，与他们团队人员进行座谈，并参观了他们工作的实验室。通过这次采访，我们了解到叶志镇教授带领着他的团队克服了近一年来网络上匿名文章带来的干扰，努力地把工作做得更加扎实，在研发ZnO光电材料及器件的自主创新方面又取得许多新的进展。为此，笔者也深受鼓舞。

　　ZnO——绿色照明新使者

　　氧化锌，已在许多领域有了广泛应用，但它作为宽带半导体发光用途，却是一种新型光电材料，有许多科学难题亟待深入研究解决。ZnO的优势在于廉价、环保，它可发紫蓝光，并由此开发节能环保长寿命的固体发光器件。所以它有望成为下一代节能廉价的绿色照明核心材料。同时它又可研发透明导电薄膜，在太阳电池透明电极等节能技术领域也将发挥重要作用。目前ZnO材料在光电领域的应用性越来越受到重视，尤其在能源、节能技术方面的应用前景被广泛看好。

　　ZnO发光二极管（LED）电发光的前提是形成半导体pn结。ZnO需要通过掺杂实现p、n型导电类型的调控。这是最基础、也是最关键的工作。制备优质n型ZnO材料不是难题，难得是制备优质的p型ZnO。也就是说，ZnO实现发光应用的关键是稳定高效ZnO的p型掺杂，这一点却是长期以来一项公认的国际难题。

　　叶志镇教授课题组是国际上较早开展ZnO的p型掺杂研究的小组。前期的工作主要是研究如何把氮（N）元素有效掺入ZnO中。根据半导体理论，如果能把外层5个价电子的N替代ZnO中有6个价电子的O，就能产生1个空穴从而使ZnO实现p型导电。但N在ZnO中固溶度很低。为了提高N在ZnO中的固溶度，获得性能较好的p型ZnO，在国家“973”、国家自然科学基金重点等项目的支持下，他们数次研制、改进材料生长设备，不断摸索材料生长条件，先后提出了多种创新的方法。2005年课题组于国际上首次报道采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）结合混合源N掺杂技术研制出ZnO的LED原型器件，实现了室温电致发光，发光性能优于同期日本分子束外延（MBE）掺N法。2006年叶教授应邀在美国MRS秋季大会首届ZnO专题会议上作报告，当时受到邀请，从事p型掺杂研究的国际学者有2个，叶教授被安排作第一个发言。叶教授课题组关于N掺杂系列的基础研究工作具有原创性，使得实现ZnO光电应用的前景进一步明朗，对当时国际ZnO研究产生重要影响，有推进作用。也因此获得了2007年度国家自然科学二等奖。

　　希望——在不断前进中长成

　　在这次采访中我们了解到，在获得国家奖之后叶志镇课题组又研究出了一种新的制备p型ZnO的方法，国际上第一个用外层1个电子的Na替代ZnO中2个电子的Zn产生空穴、实现p型导电的掺杂方法。经过他们的理论研究和实验结果都表明Na掺杂的p型ZnO的空穴浓度和电学稳定性比先前由N掺杂的p型ZnO在性能上更具优势，并且已经制备出性能良好的p型ZnO。4批22个样品经信息产业部专用材料质量检验中心（CMA，国家检测法定单位）和美国从事ZnO研究的DC Look教授检测，测得p型ZnO薄膜的空穴浓度为1017—1018/cm3，最高为1.26×1019/cm3，指标为国际先进；同时他们的样品也经上海中科院微系统和信息技术研究所测得了p型ZnO薄膜有关数据。而这一技术路线为获得性能更好p型ZnO开辟了一条新路，这是对ZnO的p型掺杂技术的新突破。在此基础上，课题组于2008年6月在美国电子材料50周年国际大会上第一个报道由Na掺杂制备硅基ZnO/ZnMgO多量子阱LED并发出了紫蓝光。而且通过对LED电极、器件工艺的不断完善，在2009年又取得了Na掺杂ZnO同质pn结LED在室温下电注入长时间、大面积发出高亮度类白光的实验结果。

　　这些最新研究进展不仅得到了国内外同行的关注和响应，促进了国际ZnO研究的进展，而且离叶教授和他的团队定下的要研发成功一种下一代节能环保廉价ZnO白光照明新材料，为我国节能照明提供新的技术的目标也越来越近了。

　　ZnO“蓝图”——就在不远处

　　在这次采访中笔者还了解到，叶教授已着手把ZnO研究向产业推进的计划；他们已经踏上从研究向产业化迈进的征程，向着ZnO“蓝光宏图”迈进。目前，他们利用发明核心专利与知名企业合作，建立杭州兰源光电材料有限公司。这是一家从事ZnO掺杂关键技术和器件设计研发的科技开发公司，2009年获得了国家科技部支持，承担我国第一个ZnO材料发光应用的产业化创新基金。公司计划把ZnO光电材料的基础科学和技术科学结合起来，在原有技术支撑的基础上取得更多与ZnO应用核心技术相关的原创性成果，形成较完整的自主知识产权价值链，尽快研发出若干种独有的具有实用价值的材料及其LED制备新技术。2010年将加快研究步伐，最终将科技成果实现产业化，为国家和地方的经济建设发展作出贡献。也许这是一条艰难的路，但为了国家的自主创新，他们义无反顾。

　　对于未来的具体研究方案和目标，叶教授已做出了详尽的规划。首先深刻理解ZnO中杂质、缺陷行为并加以调控，继续推进高效稳定ZnO p型掺杂技术，努力获得实用化的ZnO p型掺杂技术。在此基础上，为了提高发光效率，需制备出优质的ZnO/ZnMgO多量子阱异质结构，设计ZnO-LED的芯片结构，提高其发光的量子效率。然后进行器件结构的设计，提高出光率，研制出高效ZnO-LED，争取廉价、环保ZnO-LED产业化早日实现，在节能廉价环保固体白光照明中发挥重要作用。

　　尽管科学的理论是深奥的，但我们相信：经过叶志镇教授课题组和国内ZnO材料专家的共同努力，具有我国自主知识产权的节能环保廉价的ZnO发光照明器件在不久的将来有望走进千家万户。

　　创新——源自博学加勤奋

　　叶志镇教授时刻关注国家节能、减排重大战略，积极发展半导体材料在光电节能技术方面的应用。在笔者看来，他之所以能够取得一系列创新成果，除了思维开放、眼光敏锐、执着追求的个性外，还与他的光、电和材料多学科交叉的背景有关。叶志镇于“文革”结束后第一批考进浙江大学电机系，而后硕士、博士在浙江大学光仪系就读，并于1987年12月在光学薄膜方向获得博士学位。1988年1月进入浙大材料系硅材料国家重点实验室工作，主要从事半导体薄膜光电材料技术教学、科研工作。本科电气和研究生光学的学科背景，对他现在从事半导体光电材料技术研究是很有益处的。

　　30多年勤奋学习，努力工作。多少个夜晚、多少个周末，他与研究生在实验室度过的。叶教授不仅注重学习本专业知识，而且也十分关注其他学科知识；同时他也很喜欢学习哲学和历史等。他学识比较丰富，工作方式很注重创新。

　　叶志镇教授一直注重薄膜材料制备设备的自主研发。他认为只有在自行研制的设备上，才能使我国半导体薄膜材料的自由研究与自主创新得以实现。

　　1992年他从美国MIT留学回国后，针对我国纳米薄层晶体材料制备装置落后制约了材料发展的现状，开始与中科院沈阳科仪中心合作，致力于高真空CVD薄膜生长设备的研发，先后研发了结合反射高能电子衍射（RHEED）的超高真空CVD、结合磁流体密封的高真空MOCVD、结合原子发生器的高真空MOCVD等多台系列的薄膜材料生长设备。

　　这些设备为制备纳米薄层的半导体薄膜材料可控生长提供了重要手段；既满足了自己科研需要，又向全国50多个单位同行提供了同类设备。

　　从提出设计思想，不断改进完善，直到投入使用，这其中包含了叶教授的无数心血，同时也凝聚了他的团队全体人员，以及合作者中科院沈阳科仪中心同仁的智慧和努力。而正是有了这些具有知识产权的设备，才能让他的团队在自主研发ZnO等多种光电薄膜材料的科学研究中不断取得新的进展。

　　叶教授及其课题组在开发ZnO发光应用方面，从薄膜材料制备设备到工艺，从ZnO的p型掺杂技术到LED发光器件的制备工艺的核心技术申请了40余项发明专利，已授权30项，其中10余项发明专利已被公司采用，为自主发展我国ZnO产业提供了知识产权保护。

　　后记：在整个采访过程中，笔者不仅为叶志镇教授崇高的理想和坚定的信念、勇于担当和百折不回的精神所感动，更被其宽广的心胸和淡定的气度所折服。

　　特别是当叶教授被问及某网站中某些别有用心人频发关于蓄意歪曲他们课题组研究工作的匿名帖子时，叶教授淡然回答：“一直以来，对那些我始终不屑一顾，因我们还有许多要紧的事要做，再说，我们的工作是获得国家权威和国外的机构检验的，获国家自然科学奖就是对我们团队前期工作的认可，证书和检验报告会让更多的人知道真相。”

　　事实胜于雄辩。科学这个东西真的假不了，假的也真不了，实验结果是最好的回答。

　　正是有了那么多默默地抛洒着汗水的科学家，才绘就了向世人展示中国科技不断进步的绚丽画卷。叶志镇教授及其团队目前致力的具有我国自主知识产权的ZnO-LED技术一旦研发成功，节能绿色照明最终得以实现，那将在人类照明史的画卷中留下浓墨重彩的一笔。

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