聚焦顯示應用領域 助力破解技術難題
——記福建省“杰出青年基金”獲得者福州大學陳惠鵬教授

■文/于海芳 朱鑫

隨著科技發(fā)展的日新月異，各種電子化設備也在不斷地更新迭代，而顯示技術及顯示器件在信息技術發(fā)展過程中更是占據了十分重要的地位。我們幾乎每天都會通過電視機、手機、筆記本電腦、平板電腦等各類電子設備的顯示屏獲取信息、與外界聯(lián)通，它們已經成為現代日常生活和工作中不可或缺的一部分。

其中，薄膜晶體管(TFT)式顯示屏是現在各類筆記本電腦和臺式機上的主流顯示設備，液晶顯示器上的每一液晶像素點都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅動。但傳統(tǒng)的薄膜晶體管背板是基于真空法制備以及光刻法圖形化的，其技術成本較高；相比之下，印刷(溶液加工)法因為工藝簡單、材料利用率高等優(yōu)點開始受到行業(yè)內的廣泛關注。

圖為陳惠鵬教授

有一個人多年致力于光電材料與器件、印刷電子等方面的研究，主要包括薄膜晶體管及基于薄膜晶體管的存儲器、光探測器、類神經元電子器件與系統(tǒng)等的研究。這個人就是陳惠鵬，博士、研究員、博士生導師，福建省“閩江學者”特聘教授，福建省“杰出青年基金”獲得者，福建省“青年拔尖人才”。陳惠鵬2004年畢業(yè)于中國科學技術大學，獲得應用物理和電子信息工程雙學士學位。2009年畢業(yè)于美國塔夫茨大學，獲得物理學博士學位。曾主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然基金等項目。發(fā)表SCI文章100余篇，授權專利10余件。如今，陳惠鵬及其團隊重點聚焦于顯示應用領域的印刷TFT的研究進展以及研究過程中所面臨的挑戰(zhàn)。

熱愛本身就是一種信仰

科研就像海洋，只有意志堅強的人，才能到達彼岸。陳惠鵬從小就聰明好學、喜歡鉆研，尤其對小學時期科學課上提到的一些物理現象特別感興趣。大學時期，陳惠鵬攻讀了兩個專業(yè)，第一專業(yè)選擇了應用物理，第二專業(yè)選擇了電子信息工程。

陳惠鵬回憶道，記得在大學時期修讀應用物理時，由于理論課程較多，而且大都是公式推導，非?？菰锓ξ丁＠蠋煘榱俗屨n程變得生動有趣，經常會安排一些用物理解釋現象的實驗。那時候，陳惠鵬最喜歡的課就是實驗課，每當他覺得理論課枯燥無聊時，就會提醒自己，這些知識能解釋后面的實驗，同時還能激發(fā)自己設計出新的實驗，就頓時來了精神，也不會覺得乏味了。陳惠鵬坦言，當初在中國科學技術大學讀本科時，畢業(yè)設計導師的課題組會有一些博士生和碩士生，陳惠鵬在課題上一旦遇到問題，就會和他們進行深入探討。他說，那時候通過討論，經常會得出一些很有意思的結論。從那時起，陳惠鵬就逐漸地愛上了做科研。

2004年，本科畢業(yè)后陳惠鵬選擇出國深造，去美國攻讀博士學位，博士畢業(yè)后就去了美國橡樹嶺國家實驗室從事博士后研究工作，從此便與科研工作正式結緣。陳惠鵬回憶道，在美國那段學習生活，其實比較單一，主要重心都放在了科研工作上。每天就是往返于實驗室和宿舍之間，過著兩點一線的生活，忙碌且充實，那段日子也讓陳惠鵬的科研能力有了明顯進步。其中，讓陳惠鵬印象深刻的是，他第一次去美國橡樹嶺國家實驗室并在里面做中子散射實驗，那里是美國能源部最大的科學和能源實驗室，擁有當時世界上最大的散裂中子源。而中子散射技術作為一種獨特的、從原子和分子尺度上研究物質結構和動態(tài)特性表征強有力的研究手段，當時世界上僅有4個國家擁有此裝置。當時讓陳惠鵬感悟最深的就是前沿科學的研究，需要類似這樣的大科學裝置來支持。值得高興和自豪的是，不久后我國在2018年也建成了散裂中子源。

在陳惠鵬看來，留學這段時光對他的影響很大，主要體現在兩方面。一方面，由于國外學習科研生活氛圍十分自由，老師基本不會干涉太多，可以自由大膽地表達自己學術觀點，去自由地做一些自認為有價值的事情。學習上更多的是靠自己，所以他在學習自主性和自覺性方面也有所提升。另一方面，培養(yǎng)了他獨立判斷的思維能力。在美國，會接觸到來自全球各個國家的人和事。由于不熟悉，剛來的時候對一些人和事的想法都有些狹隘，考慮問題不夠全面。在經歷過一些事后，他學會了全面獨立地思考和理性地判斷問題。陳惠鵬坦言，在國外課題組濃厚的科研氛圍熏陶下，很快他就能獨立開展自己的課題研究，從科研工作中享受到了探索的樂趣，也為后來從事科學研究打下了堅實的基礎。

因為熱愛才會創(chuàng)造奇跡

如今， 印刷薄膜晶體管（TFT）是“十三五”國家重點研發(fā)計劃“戰(zhàn)略性先進電子材料”專項課題，陳惠鵬是“印刷TFT的結構設計與界面工程方法”課題負責人。

陳惠鵬介紹，該課題主要針對的是新型顯示，薄膜晶體管作為顯示器里面非常重要的器件單元，目前器件多采用真空鍍膜技術，昂貴的鍍膜機不僅提高了器件的成本，也是我國目前“卡脖子”的技術。與此同時，隨著新材料、新工藝、新儀器、新設備的不斷涌現，顯示技術正朝著超高分辨率、大尺寸、輕薄、柔性和低成本方向蓬勃發(fā)展。由于傳統(tǒng)背板技術難以實現真正的柔性和大面積顯示，且生產成本高、制備工藝復雜、能耗高，使得傳統(tǒng)背板技術難以滿足當今新型顯示技術發(fā)展的要求。于是，尋找高效、可大面積制備的低成本柔性背板驅動技術成為許多國家戰(zhàn)略性選擇。印刷TFT正是在這種背景下應運而生，成為當今新型顯示領域研究的前沿和熱點，也是當今國際高新技術競爭的戰(zhàn)略高地。只是我國目前印刷顯示技術還不成熟，在材料、墨水、器件、工藝方面還有很大的提升空間。如今，陳惠鵬及其科研團隊在印刷TFT的墨水和器件方面已取得一些成果，其中，在制備的印刷薄膜晶體管器件性能方面，已經很接近真空鍍膜技術的性能了。

陳惠鵬說，金屬氧化物半導體具有低成本、高透明度、高遷移率等特點，但是面向印刷電子的溶液法制備需要繁瑣的步驟（暴光、顯影、刻蝕等）進行圖案化，而且需要高溫退火才能實現優(yōu)秀器件性能，這些因素將嚴重影響其商業(yè)化生產效率或限制其在柔性電子領域的進一步應用。我們提出秒輔助的薄膜晶體管印刷制備工藝，充分應用飛秒激光脈沖高瞬時強度和超短脈沖寬度的特點，由于作用時間短，實現所謂“冷”加工，不存在熱擴散區(qū)影響。我們使用飛秒激光對溶液法沉積的薄膜進行刻蝕和同步的退火，實現薄膜的高精度和分辨率圖案化。激光技術快速、低溫制備方法，為下一步采用溶液加工方法制備柔性印刷氧化物TFT器件提供了技術指導。

此外，陳惠鵬及其團隊關于發(fā)光驅動一體化器件方面的研究，也取得了較好成果。量子點發(fā)光二極管（QLED）具有壽命更長、色域更廣、色彩更純等特點，但是QLED顯示器廣泛應用的關鍵挑戰(zhàn)是有源矩陣背板中的驅動晶體管和電荷注入不平衡的問題，這些因素將嚴重影響其進一步大規(guī)模商業(yè)化生產和降低器件性能、損壞器件壽命。陳惠鵬及其團隊提出了垂直量子點發(fā)光晶體管（VQLET），利用垂直結構，彌補有機半導體材料（OSC）固有遷移率低的缺點，實現有機薄膜晶體管（OTFT）驅動QLED；通過簡單地調節(jié)垂直有機薄膜晶體）（VOTFT）的柵電壓，可以調控注入勢壘（通過減小空穴注入勢壘來增加空穴注入量，實現電子和空穴的注入平衡，提高器件性能）。VQLET提供了一個新的策略，以實現低成本、高性能的有機薄膜晶體管驅動的有源量子點發(fā)光二極管（OTFT-AMQLED）的平板顯示技術。目前，陳惠鵬及其團隊研究的項目主要用在顯示領域，此外，他們還做一些基于薄膜晶體管的傳感器、存儲器和神經形態(tài)器件等方面的研究，也都取得了不錯的成果和進展。

只為培養(yǎng)更多的科研人才

創(chuàng)新驅動實質是人才驅動，人才是創(chuàng)新的第一資源。談到人才培養(yǎng)，陳惠鵬認為，一名合格的科研人員首先要具備專注、創(chuàng)新和堅持的品質。因為科研探索道阻且長，如果缺乏這些品質，很難走下去，也很難出科研成果。專注就是踏實按照自己的研究方向，一心一意做一件事。創(chuàng)新就是在不斷質疑、爭鳴、論爭循環(huán)中產生想法，要做很多從0到1的工作。堅持就是意志堅強、有耐性，因為科學研究充滿風險、未知和不確定性，要勇于面對失敗和接受挑戰(zhàn)。

陳惠鵬對于學生習慣的培養(yǎng)也尤為看重。他說，做科研，習慣很重要，一旦養(yǎng)成了良好的科研習慣，成功就是水到渠成的事。比如他會要求每個學生從入校到畢業(yè)，每周都要閱讀一定數量的文獻，并和同學進行討論，對文獻進行總結，給出自己閱讀后的思考和創(chuàng)新想法。陳惠鵬說，這樣堅持下去，學生既可以了解到其他同學的做法，也學會了獨立思考，還能不斷總結出自己的創(chuàng)新想法?！耙坏┯辛藙?chuàng)新想法，就要馬上行動，不要拖延，否則有再多的想法都沒用。行動不一定成功，但不行動就永遠不會成功?！边@也是陳惠鵬經常會對學生說的話。

此外，針對學生的個體差異，陳惠鵬會進行因材施教。平時陳惠鵬經常和學生溝通交流，盡可能多地去了解學生各方面的情況，包括性格、能力、愛好等，便于安排不同的課題和工作，充分發(fā)揮他們各自的特長。此外，對于新生，陳惠鵬更加強調“傳幫帶”，讓老生去帶新生。每屆新生都會安排2名老生進行入門訓練、經驗傳授，還會組織每屆畢業(yè)生分享各自在學習期間的科研經驗。在陳惠鵬的帶領下，團隊內一直有著良好的學習和科研氛圍，大家互幫互助，同時涌現了很多非常優(yōu)秀的學生。比如陳惠鵬帶的第一個博士生藍淑瓊同學，在碩博連讀期間曾獲得碩士生和博士生國家獎學金、寶鋼獎優(yōu)秀學生獎學金，以及省優(yōu)秀博士畢業(yè)論文等多項榮譽。

圖為陳惠鵬教授與學生合影

目前，陳惠鵬所帶領的科研團隊規(guī)模在50人左右，其中包括5名老師、10名博士和30多名碩士。對于團隊管理，陳惠鵬也有著自己的規(guī)則和要求。首先，他要求凡事以身作則，規(guī)定的任何事情，每個人自己首先要能做到，因為身教勝于言傳；其次，分工明確，責任到人。每個人除自己課題外，還會有很清晰的團隊職責，這樣團隊才能維持高效運行；此外，定期召開團隊會議，每周一次組會，分批次進行文獻匯報和工作匯報，陳惠鵬會對成員的工作進行簡要點評，有問題在會上可以相互討論，因為激烈的思想碰撞會讓人產生很多的想法。陳惠鵬說，這樣做目的就是讓大家勇于表達自己觀點、開闊視野、更有助于解決問題。

保持好狀態(tài)才能繼續(xù)追夢前行

陳惠鵬每天大約工作10個小時，除了科研實踐、瀏覽文獻、與學生探討課題、修訂論文外，他還會留出一些獨立思考的時間。

繁忙的工作之余，陳惠鵬會選擇聽音樂，他說多聽音樂可以讓自己徹底放松下來，不僅可以釋放壓力、調整狀態(tài)，還可以提高獨立思考的效率。周末不忙時，陳惠鵬還會帶家人去郊外游玩，呼吸新鮮空氣。陳惠鵬坦言，要學會休息，工作時要全心投入，陪伴家人也需要如此。在大自然中去釋放自己，才能在工作時更好地進入狀態(tài)。選擇了科研工作就意味著沒有終點，這是一個不斷前行的過程，更需要自己時刻保持一個良好的工作狀態(tài)。

針對目前“卡脖子”的技術問題，陳惠鵬說，他及其科研團隊會在印刷顯示技術方面，全力解決一些關鍵的核心問題，盡早取得突破性進展，搶占國際高新技術戰(zhàn)略高地。對于未來，陳惠鵬介紹，重點研究方向將在神經形態(tài)顯示方向，這是我們自己提出來的概念。神經形態(tài)顯示指的是將顯示技術與人工神經網絡系統(tǒng)相結合的一種新型顯示技術，旨在通過模擬生物大腦皮層，賦予顯示驅動存儲單元、處理單元和發(fā)光單元神經形態(tài)特征，解決未來顯示技術朝著高像素、高分辨率及立體顯示、物聯(lián)網等方向發(fā)展時，傳統(tǒng)顯示技術所面臨的在驅動能力、處理速度、功耗等方面的不足。

陳惠鵬坦言，作為一名科研工作者，必須時刻堅持科學實驗的習慣，具有堅持創(chuàng)新的精神。將科研工作做到位，才能讓自己在科研之路上不斷實現夢想和人生價值，也為我國早日建設成科技強國盡一份綿薄之力。