从“干杂活”到一作发Science,这位上交博士是怎么做到的?

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来源 | 募格学术(ID:mugexueshu)

作者 | 沅朗

2019年8月16日,国际顶尖学术期刊Science在线发表了上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室杨旭东教授和韩礼元教授团队的最新研究成果 
 
“Stabilizing heterostructures of soft perovskitesemiconductors”(稳固结构柔弱的钙钛矿半导体异质结)。
 
该团队通过构建稳定异质结结构,极大地提高了钙钛矿太阳能电池在工作状态下的稳定性,高效率器件通过了1000小时光照高温老化测试,保有初始光电转换效率的90%,结果获得世界权威机构(日本产业技术综合研究所)认证,为提升钙钛矿太阳能电池稳定性提供了全新的思路,向实现商业化迈出了重要的一步。
 
而本文第一作者王言博同学,他的经历有点不一般
到今年12月才满26岁的王言博,本科毕业于东北大学(秦皇岛),期间连续三年获得国家奖学金,国家电信奖学金,省级三好学生,省级优秀毕业生,拥有三项国家专利。更因连续四年登上校园十佳歌手,成为大家心中的男神。
 

王言博在歌手大赛现场
 
2015年毕业时以保研夏令营全国第一名的成绩,直博上海交通大学材料科学与工程学院,进入杨旭东教授、韩礼元教授研究团队。四年以来,以第一作者身份在Science, Advanced Materials, AdvancedEnergy Materials(两篇), Science China Chemistry等杂志上发表高水平学术论文,一作论文总影响因子破百
 
科研顺利之余,生活上的王言博已结婚生子,简直妥妥的人赢!然而,这位人赢却自曝,他的论文都是打工打出来的。
 

初读博士,反复熬煎

 
2015年进入上海交通大学之后,卸掉了所有的光环,从本科直接进入博士阶段的学习和生活,这种反差是巨大的。一方面要熟悉课题组的研究方向,尝试挑战新的研究课题,另一方面要做好公共服务,帮课题组报销、领物资、买设备、协助修改资料文本和PPT图片。
 
从小学到本科,只要学好书本上的知识,那些被称为定理的知识都经过了百年甚至千年的考验。然而科学研究不一样,从博士研究生开始,变成了创造知识的人。我该做些什么?看什么文献?做什么实验?从哪里入手?那是王言博博士第一年反复问自己的问题。
 
他说,曾经最难熬的一段时间就是每天早上最早到办公室,坐在电脑前,却不知道该做什么。打开窗户,唱一句老狼的歌“把窗户打开吧,对心情会好一点”,然后回到桌前继续迷茫,等待今天新的“杂活儿”。更让他坐不住的是,一起进来的博士,已经热火朝天的干起来了,每天都穿梭在各间实验室,风风火火。想努力却没有方向是人生最痛苦的事之一吧。
 

为何坚持,想想当初

第一次见到韩礼元老师,
 
“老师,我毕不了业了,这样下去我肯定毕不了业了”。
 
韩老师当时就笑了,小伙子你几年级啊?
 
“一年级快结束了。”
 
那你日子还长着呢,年轻人,不要太着急。没有方向的话,我这里有几个综述的想法,你可以试试看。
 
一听这话,夏天好像都变得凉爽起来。是啊,还有四年,慢慢努力就好。但说归说,科研不是不见起色,是根本不知道做什么,很多时间也被“杂事”占据。
 
另一方面,综述不像他想象中那么简单,需要大量文献储备,从庞大的信息量中梳理出自己的脉络,王言博像一个无头苍蝇,从早到晚在看文献,看了半年,写的初稿只能称得上是前人工作的总结。
 
他变的不那么健谈,变的不爱听音乐,变得对任何事情都提不起兴趣。甚至,他开始怀疑自己,是不是不适合做科研?毕业后也许该去公司工作吧?在一次学术论文写作课上,老师问,有多少人以后是要做科研的。他想举手,但没有勇气,也没有自信。有多少人要去公司工作的。他犹豫了,但最终举起了手。
 
2016年的端午节,几个朋友约王言博回大学母校看看,进入校园,那个熟悉的泥土的味道仿佛在问他,你怎么变成这样了。2019年,《复仇者联盟四》上映,雷神从未来回到过去见到早已去世的母亲,母亲一眼认出他来自未来,摸着他的脸说,在未来受了很多苦吧,雷神泪流满面。
 
他回想起自己三年前回母校的场景,在电影院同样泪流满面。是啊,怎么变成这样了?那个活力朝气,正能量满满的自己去哪里了?再次见到自己本科的导师,聊起现在和过去,他绝口不提自己的困惑,因为他已经不再困惑。问问自己的初心是什么,当时为什么要选择直博。他在回上海的火车上已经下定决心,要在科研上做出一番成绩。
 

王言博与本科导师王晓强教授

 

生活科研,相得益彰

坚定了决心,是重要的第一步,但困难依然客观存在。
 
多年以后,王言博说他都会记得第一次到日本交流学习,真的要感激导师让那个时候看起来那么不优秀的自己有这样的机会。也许,那一次在科研水平上没有看得见的提高,但他实实在在的找回了些什么。
 
周五的下午,他随口问博士后师姐,周末干嘛去。师姐说,去筑波山看梅花,这个季节梅花该开了。他愣住了,他丢掉的东西正是生活。过不好生活的人怎么做好科研呢?
 
他说从那时候开始,他经常下班后就去逛超市,买菜,学做饭,每周末还安排自己去周边短途旅行。他重新拾起唱歌的爱好,师兄师姐们都会在网上收听他上传的最新单曲。生活有了起色,心态也逐渐平稳。不知道看什么文献,就从最重要的,最初的和最新的三种工作开始看。不知道该做什么研究,就先把太阳能电池的效率想办法做上去。对老师们给的“杂活儿”,他也逐渐转变了心态。
 
PPT做的不好可是要挨“骂”的。王言博清晰得记得有一次被韩老师批的很惨,当时差点拍案而起,但是他忍住了,第二天和老师吃饭,老师不知是有意还是无意说了一句话让他记到现在,“年轻人要学会低头”。
 
是啊!二十多岁的年纪,被批评怎么了,被批评是因为做的不好,是老师在教你。什么时候可以做到第一稿让老师满意呢?他用了两年。
 
两年后的一天,在经历了无数次批评,无数次修改之后,他接到了那个本以为是批评的电话。
 
“小王,这次的PPT做的不错”
 
这是两年来,第一次一稿通过的PPT,是2017年Nature论文学术报告的PPT。
 
短短的一句夸奖,他收获了满满的感动和自我肯定。他说,在做PPT过程中,他深刻的意识到逻辑对论文写作的重要性,并在一次又一次的PPT制作过程中得到反复锤炼。
 
另外,他每帮老师做好一个PPT,会自己在心里讲一遍,充分考虑现场讲演时可能会出现的问题、听众的感受,再进行修改,直到逻辑通顺,重点清晰,图文搭配合理为止。类似的,论文写作也要考虑编辑,审稿人,读者的感受,所写的内容是否容易理解,是否容易产生误解,是否经得住推敲。先过了自己的关,才有可能过别人的关。只有不再把任务当成任务,而是当做自己的事来做,才能够真正学到东西。
 
几乎同样的时间,PPT做好了,第一篇综述也发表在国际著名学术期刊Advanced Energy Materials上,主讲了什么样的材料适合在钙钛矿太阳能电池中作为电荷传输材料,并呼吁大家关注钙钛矿器件中的离子移动问题(1)。
 
王言博在资料整合,论文写作上的能力逐渐被老师发掘出来,随后又在Advanced Materials, Science China Chemistry,Acta PhysicaSinica上连续发表综述论文,分别谈到钙钛矿太阳能电池的标准测量,国内钙钛矿太阳能电池的发展,钙钛矿器件中的空间电势分布与光电转换机制等问题(2-4)。
 
发表综述论文期间与师弟合作,第一次尝试研究论文写作,通过分子设计,调控电子云密度,增强缺陷钝化能力,提高了钙钛矿太阳能电池的电压,相关工作发表在Advanced Energy Materials上(5)。
 
他这时突然回过神来,好像好久没去旅行了,生活难道又不见了?不,其实现在,科研已经变成了生活。

王言博与韩礼元老师(左一,左三)
 

困难重重,云开月明

 
综述论文的连续发表,研究论文的小试牛刀让王言博充满信心。
 
在杨老师的指引下,他将抑制离子移动作为解决钙钛矿太阳能电池稳定性问题的突破口。通过阅读大量的文献,他的思路逐渐清晰。
 
钙钛矿光电材料自身作为一种软物质,在水氧,光照的作用下,将会发生离子分子的迁移扩散,从而引发钙钛矿太阳能电池在工作状态下的性能下降。此前关于稳定性的研究主要是通过掺杂无机元素甚至完全采用无机元素,改变钙钛矿的柔软本质,提高钙钛矿材料自身稳定性,或者通过缺陷钝化技术,降低钙钛矿内部缺陷,封堵离子或分子扩散路径。
 
但无机元素的掺入将影响钙钛矿的吸光性能,影响电池效率,而缺陷钝化技术引入的其他分子在紫外光照等条件下存在自身的不稳定性等问题。那是否可以在不改变钙钛矿自身组分,获得高效率的前提下,仍然取得高稳定性呢?
 
有报道称,钙钛矿分解的产物将破坏电荷传输层。这意味着钙钛矿与电荷传输层构成的异质结结构的瓦解,电荷的提取和传输将因此受到极大的影响。然而,这一问题却没有引起广泛的重视,仍然缺少有效的解决办法。或许,通过器件结构的设计,构筑稳定的异质结就是解决方案!
 
但是如何实现呢?通过和杨老师讨论,确立了在钙钛矿薄膜表面构建强相互作用键合结构的目标,比如具有铆钉作用的铅-氧键、铅-氯键。他首先想到了稳定的碳材料氧化石墨烯,但经电学实验测定,单纯的氧化石墨烯,不适合在高效率电池中分离与传输电荷。
 
此外,氧化石墨烯在钙钛矿薄膜表面很难涂布均匀,这失去了想要构筑稳定异质结的初衷。掺杂改性是常用的改变氧化石墨烯性能的方法,尤其是对于电荷传输的调控。经过文献调研,氯化氧化石墨烯具有合适的电荷传输性能,更令人惊喜的是,实验观测表明氯化氧化石墨烯在钙钛矿薄膜表面的涂布情况有明显改善。但这是为什么呢?
 
最直观的,相比较而言,只是比氧化石墨烯多了氯元素,那么问题应该出在氯元素上。经X射线光电子能谱测定,氯元素的确和钙钛矿薄膜中的铅元素产生了键合。
 
他兴奋将结果告诉杨老师,但导师却给他浇了盆凉水:你根据实验结果,计算一下,每一个氯原子对应多少个碳原子,如果只是氯的键合作用,那作用力应该不够。
 
计算结果显示,在原子的周期排布中,每17个碳原子才会有一个氯原子。那原因在哪里呢?如果说是氧元素和铅元素的键合,那氧化石墨烯中也有充足的氧。
 
他每天都在想这件事,甚至他太太说,他做梦都在讲数据的事。
 
就在有一天去食堂的路上,他突然想到,难道是氯元素的存在对氧元素产生了影响,从而使氧元素具有了与铅更高的结合力?实验结果给出了有力的证据,氯化氧化石墨烯中的氧在氯元素的作用下向更高的氧化态偏移约0.3电子伏特,能够更有力的结合钙钛矿表面的铅元素,从而在钙钛矿薄膜表面铺展开。
 
为了进一步验证这一变化,杨老师建议再做计算模拟,结果计算值非常接近实验结果,同样约为0.3电子伏特。
 
在此基础上,为了进一步提高钙钛矿薄膜与氯化氧化石墨烯的键合,他利用硫氰酸铅或醋酸铅溶液对钙钛矿表面进行前处理,制备出表面富铅的钙钛矿薄膜。这一处理过程不改变钙钛矿本身组分,铅以外的元素容易在热处理中挥发掉,表面上容易留下铅元素。
 
在此富铅钙钛矿表面沉积氯化氧化石墨烯后,经电学,光学实验证明,均匀、稳定的钙钛矿/氯化氧化石墨烯异质结结构在铅-氧键、铅-氯键的强相互作用键合下得以制备。
 
稳定的表面可以减少钙钛矿自身的分解及缺陷的产生,致密的氯化氧化石墨烯可以阻挡钙钛矿逃逸离子与电荷传输层的不利影响,提高了异质结结构稳定性,又由于此异质结结构合适的电荷分离与传输效果,器件整体能量损失降低,载流子复合减少,器件效率得到提升。
 
王言博在杨老师的指导下将所有内容和想法按照逻辑顺序整合在PPT中,韩老师一看到这样的PPT便说,这个工作能够发表在Science上!真正的初稿写作他只用了2天半,经过两周紧锣密鼓的讨论与修改便投到Science杂志上,历时两个半月即被接收。这一切都是 “打工期”锻炼下来的各项扎实基本功在起作用。
 
一路走来,或许王言博有过很多困惑,经历过很久的迷茫,但他在每一个困难的时刻总多了一份坚持。人生要学会慢慢走,学会学习,学会积累。以其最喜欢的一句词作结,“回首向来萧瑟处,归去,也无风雨也无晴”。
 

王言博(右二)与课题组成员
 
文章列表(一作)
 
1.    Y.Wang et al., Science. 365, 687-691 (2019). (IF=41.058)
2.    Y.Wang, Y. Yue, X. Yang, L. Han, Adv.Energy Mater. 8, 1800249 (2018).(IF=21.875)
3.    Y.Wang et al., Adv Mater. 1803231(2019). (IF=21.95)
4.    Y.Wang, L. Han, Science ChinaChemistry. 62, 822-828 (2019). (IF=6.085)
5.    Y.Wang, D. Cui, C. Zhang, X. Yang, L. Han, Acta Phys. Sin. 68,158401 (2019). (IF=0.813)
6.    T. Wu,Y. Wang et al., Adv. Energy Mater.1803766 (2019). (IF=21.875)

本文来源:募格学术(ID:mugexueshu)  作者:沅朗   转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来源。

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