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【美丽成电·创新之美】黄伟:在崎岖的科研赛道上勇毅前行
文:自动化学院 沈昭宇 图:受访者 来源:新闻中心 时间:2023-04-21 10210

  今年1月,电子科技大学测试技术与仪器研究所课题组在全球顶级科研期刊《Nature》(《自然》)上以“Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits”为题,发表了在有机电化学晶体管及其互补电路方面的最新研究成果。该研究针对测试数据的源头基础传感器件,首次提出了一种基于紫外光固化沟道的新型垂直结构,破解了的世界性难题,是新型传感和精密测试领域的重大突破。

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  电子科技大学自动化工程学院黄伟为该文第一作者,程玉华、Tobin J. Marks及Antonio Facchetti等为共同通讯作者,电子科技大学自动化工程学院为第一完成单位,美国西北大学、云南大学、浙江大学等为合作参与单位。

  黄伟是自动化工程学院教授,博士生导师,同时也是测试技术与仪器研究所课题组成员。工作以来,他在崎岖的科研赛道上勇毅前行,经历过困难险阻,但也逐渐克服了诸多障碍,取得了丰硕成果,成为青年科研工作者的典型代表。

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科研路上“雾里看花”

  2010年,黄伟从南开大学物理学院毕业之后,回到家乡四川,来到电子科技大学就读研究生。最初他的目的相对明确,即硕士研究生毕业之后便前往相关企业工作,没有确定具体从事哪个行业。

  在完成了研一的大部分课程之后,研一下学期他正式进入实验室开展有机薄膜晶体管方面相关的研究工作。由于薄膜晶体管的主要产业应用在平板显示领域,因此当时他对自身的规划也主要倾向于从事平板显示相关的工作。

  “初入科研,一切并不十分顺利。”黄伟说,他当时在于军胜教授的指导和于欣格(现为香港城市大学副教授)的帮助下,主要研究目标是实现有机薄膜晶体管性能的提升。当时设计和制备的晶体管采用PMMA(有机玻璃)作为介电层,但其介电层重复性总是无法保证,介电层的电绝缘性能总是时好时坏。

  “我们尝试了多种方法来改变介电层制备工艺,稳定可靠介电层的制备工艺依然没有被攻克。”他说,最后不得已采用PVA+PMMA叠层介电层的方式才最终实现了可靠稳定的介电层制备。基于该种介电层,黄伟所在的课题组发表了多篇SCI论文,并进一步拓展到了基于晶体管的传感器方面应用拓展上,“而对于基于单层PMMA介电层工艺具有极大不确定性的深层次原因,我们却依然是‘雾里看花’。”

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享受科研“寻宝”过程

  2012年,在导师的引导和师兄师姐的引领下,黄伟申请硕博连读,当时他的人生目标依然不明确,对未来的规划不清晰,在走一步算一步的状态。

  当时很多企业开始在高校中大量招收博士,因此他也考虑可以进一步地深造,为未来工作打下坚实的基础。“于是我开始攻读博士学位,但科研过程依然磕磕碰碰,并不一帆风顺。”

  后来,黄伟越发掌握了科学研究的一些基本的特质,即科学发现往往不是具有高度逻辑推理性的,特别是重大的科学发现,具有偶然性和偶发性,而科研人员在此过程中更像是寻宝一样,不断地在研究过程中寻找未被发掘的宝藏。

  他认为,要在科研过程中发现更多更重要的宝藏,需要科研人员不仅仅在自身领域对相关知识体系具有宏观的掌控,还需要有足够的深度,同时还需要对整个科学领域具有普世的认知,才能够在大量的研究过程中扫去覆盖在宝藏上坚硬且厚重的外壳,发现宝藏本身。“随着我科研的深入和科研经验的积累,我愈发享受这一寻宝过程。”

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新型垂直器件结构表征

敲掉“宝藏”外的坚固外壳

  2014年,黄伟申请到国际公派出国联合培养的机会,前往了美国西北大学Tobin J. Marks和Antonio Facchetti课题组交流学习,美国西北大学世界先进的科研条件和深厚的科研积累让他受益匪浅,也同时进一步锻炼他的科学思维,打开国际视野,并使他获得在科研过程中“沉”得下去的心境。

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黄伟所在的Tobin J. Marks课题组在美国西北大学密歇根湖畔

  他说,刚到新的环境,研究方向和工作方式方法的不同,使得他在初到西北大学近一年的时间里的研究都不太顺利,实验的结果总是与预想的不一样。但通过大量实验、深入的表征、广泛的文献阅读和讨论,最终敲掉了裹敷在“宝藏”外的坚固外壳,并在PNAS、JACS等高水平文章上发表了多篇论文。

  2016年从美国西北大学回国后,黄伟于同年12月份博士毕业,并于2017年2月继续前往美国西北大学进行博士后训练。

  “虽然还是在同所大学的同一课题组,但我依然没有迅速适应,主要原因在于博士后所代表的角色和博士生并不一样。”他说,虽然在博士生阶段有幸在导师的指导下进入了科研的大门,但他并没有独立开展科研的能力,而博士后阶段正是需要科研人员具有自主科研能力,同时也能够写好“命题作文”。

  黄伟说,博士后一般需要其专注于某个项目目标,以达成项目的预期成果开展相关科研工作,而他当时分配到的课题虽然在电子器件的大范畴之内,但他本身在该方面并没有太多的经验,且课题组也没有足够的针对该课题的前期研究经验与支撑。

  我曾一度想过放弃,但在朋友及家人的支持和帮助下,我开始主动地寻找资源,包括相关实验条件的搭建、测试表征手段的获取等。

  他表示,最终在经历了大半年的不断失败后成功攻克了当时项目的难点,并且与课题组前期相关研究优势有机结合,成功拓展了课题组研究方法的普适性。在此机缘巧合下,课题组正好有一个研究助理教授职位空缺,课题组导师认为在此项目中黄伟具有担任相关职位所具有的一些必须特质,因此向他抛出了该职位的橄榄枝。

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  2018年9月,黄伟正式以研究助理教授的身份协助Tobin和Antonio开展基于柔性可拉伸电子器件方面的研究,并指导了众多研究生,同许多博士后和访问学者开展了合作。

  这时,与黄伟有长期合作的王炳昊博士后(现为东南大学教授)提到,在高湿度环境下旋涂的有机薄膜会因有“breath figure”效应(呼吸法)产生孔状结构。而这时,他才恍然大悟,并彻底搞清楚为什么早在2011年课题组研究的相关单层PMMA介电层不能够实现稳定的工艺和性能。

  不过,我并不记恨‘breath figure’效应,虽然这一现象让我走了很多弯路,但它让我明白知识面的重要性、思考的重要性以及工具使用的重要性。

  他说,恰恰相反,利用该效应,课题组做了很多有意思的工作,将其应用在了心电图的监测和仿生突触的模拟上,在成员们一边调控各项实验条件,一边通过原子力显微镜(AFM)或扫描电子显微镜(SEM)进行表征,最终在制备了上千片的薄膜后,摸索出了重复性良好的制备工艺。这部分研究于2022年发表在了Nature Materials上。

  “在我科研活动当中最为重要的一个发现也是基于‘breath figure’的。”黄伟说,经历了以上在呼吸法方面的深入研究积累,当时课题组可以十分精确地调控多孔结构的形貌,能够实现多孔上下两层电极不短路而保持多孔薄膜大比表面积的特点。

  因此,他们将其运用于基于多孔结构的垂直沟道OECT中,经过长达数月的优化终于能够稳定地制备出具有该种特色的超高性能OECT。这时,理所当然地需要制备没有多孔结构的垂直结构OECT作为对比组,而该对比组的性能出乎所有人的意料。

  “我们并不需要繁复的制备流程来保持多孔结构,采用对的材料和交联结构就能够实现OECT性能数量级的提升,同时在器件密度、稳定性等方面也大大超越现有报道过的最为先进的OECT。”黄伟说。

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  基于以上科研经历,让黄伟越发热爱自己所从事的科研工作,也深知其中的过程必然崎岖,另外,他也愈发觉得在科研过程中跨领域合作、多思维碰撞的重要性。

  而最重要的,是他开始热爱教育行业,特别是指导学生实现了重大的科学发现的满足感和“授人以渔”的成就感,让他毅然决然地加入高校教师行列,成为电子科技大学自动化工程学院的一名教师,在科研中教书育人实现自我价值和做出应有的社会贡献。

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编辑:赵海玲  / 审核:林坤  / 发布:陈伟

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