作者:沈春蕾 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/10/10 23:02:27
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3年两篇Nature一作!90后工科女孩在剑桥获博士学位

 

历时5年,跨越太平洋和大西洋,从中国到美国再到英国,王琰的博士研究生之旅于一年前在剑桥大学完结,顺利取得材料科学博士学位。

今年8月,剑桥大学教授Manish Chhowalla课题组在Nature介绍了一种基于N型和P型范德华(VDW)触点的超薄光伏电池,其开路电压为0.6V,功率转换效率为0.82%。王琰是这篇论文的第一作者。

这也是王琰在读博期间完成的第二篇Nature论文,上一篇发表于2019年。两篇论文基于相同的材料开展研究,不同的是第一篇主要在美国完成,第二篇主要在英国和韩国完成。

2016年从北京大学取得硕士学位后,王琰辗转美国和英国,并在读博期间连发两篇Nature,她收获了哪些经历?这期间又发生了什么?

王琰

3年两篇Nature

“这两篇Nature论文都是围绕相同材料展开的研究。”王琰告诉《中国科学报》,“我们希望用这类材料做出新一代的半导体器件。”

王琰提及的是什么材料呢?

半导体最基本的材料是硅,纯净的硅又无法导电,但可以通过在硅中掺杂元素来改变分子结构。

已有研究发现,通过在硅晶体中掺入不同元素,可做成P型半导体(因少一个带负电荷的电子也被称为空穴型半导体)和N型半导体(因多一个自由电子也被称电子型半导体)。电池片发电即是利用P型半导体与N型半导体的电位差来产生电流,这也是太阳能电池发电的原理。

当前,第三代半导体对器件要求越来越高,硅器件的尺寸也越来越小。然而,尺寸太小的硅器件就不那么“听话”了。为此,王琰希望将硅器件做得更小的同时,还能对其进行有效的“开关”控制。

王琰介绍:新材料的研发能够有效地让器件在很小尺寸上也能比较“听话”。问题的关键在于这种新型半导体并不能像硅一样通过掺杂来调节性能,因此只能通过对于接触电极的调节来完成不同性能的输运。

王琰

3年前,王琰的研究对象是N型接触电极,3年后则是P型接触电极,两者相辅相成,也具有上具有一定的延续性。

“在这两篇Nature里,我们研究的主要材料二硫化钼和二硒化钨只有三层原子,很小很薄,也很容易被破坏。”王琰告诉《中国科学报》,“基于新型半导体材料的数字逻辑电路的运算,需要既有有效的N型接触也需要P型接触。”

谈及研究何时才能投入应用,王琰表示,目前的材料要完全取代硅器材还不太可能,研究只是解决了单个器件的金属和半导体界面问题,要实现大规模生产,尤其是产出高质量的薄膜还需要进一步研究探讨。

在剑桥组建新实验室

在北京大学深圳研究生院读研期间,王琰在导师周航的引荐下认识了Manish Chhowalla。当时他是美国罗格斯大学材料科学与工程系教授。2016年硕士毕业后,王琰前往美国,跟随Manish Chhowalla攻读博士学位。

按照正常的学习计划,王琰应该在2019年左右拿到博士学位。然而计划赶不上变化。

2018年,Manish Chhowalla收到了母校剑桥大学的邀约,决定前往剑桥大学组建新的实验室,继续开展二维过渡金属二卤化物(TMDs)研究。

此时,王琰也面临着抉择——留在美国换导师,还是跟随导师去英国。最终,在2018年9月,王琰与另一个博士后追随Manish Chhowalla一起来到了剑桥大学。

来到剑桥大学第一天,王琰和Manish Chhowalla合影。

“初到剑桥,连最基本的烧杯用品都需要亲自采购。”王琰回忆了来到剑桥大学组建实验室的时光,“导师带着我们两个女孩,从零开始组建实验室和研究团队,如今实验室的规模从3人发展到20多人。”

由于罗格斯大学的学分无法带到剑桥大学,王琰不得不回到起点,按照剑桥大学的要求重新读博。

王琰在剑桥大学提交毕业论文

在王琰准备第二篇Nature论文期间,新冠疫情在英国暴发,新建好的实验室也被要求暂停一切工作。王琰不愿意就这样中断手头的实验,考虑到主要合作团队在韩国,2020年4月王琰做了一个决定,去韩国先隔离,再继续完成实验。“论文中的原子面截图就是在韩国切的。”她说。

半年后,王琰回到英国继续完成剩下的实验和论文,并在2021年2月将论文投递出。王琰表示:“我们提供了一个比较不错的解决方案,这也是最终打动Nature编审的关键。”

王琰在英国同步辐射中心做实验室

回国,还是留英国?

王琰的家乡在江苏盐城,那是一座有着“国际湿地城市”称号的沿海小城。她本科就读于江南大学,完成本科学业后南下深圳。

进入北京大学深圳研究生院后,王琰先后获得北京大学含金量最高的奖学金——“五四奖学金”,北京大学“学术创新奖”和北京大学国家奖学金。2016年硕士研究生毕业时,王琰还荣获“北京市优秀毕业研究生”称号。2018年,王琰获得剑桥大学的Trinity-Henry Barlow奖学金。

目前,王琰在剑桥大学已经获得一份fellowship的工作,主要从事二维过渡金属二硫化物低功耗器件的研究。

“这是一个3~5年的项目,最后不一定能留下来,但我也没想好未来要去哪里。可能美国,可能新加坡,也有可能回国。”

王琰本科和硕士的专业都是微电子器件,去美国读博时才转到材料专业。虽然这些年一直在国外学习生活,但王琰时常关注着国内学术圈的动向。

比如她发现了一个比较让她困惑的现象:“在国内工程材料研究领域,女性研究人员或教职工似乎比较少。而剑桥大学材料系有接近一半的教职人员是女性,我们现在的课题组男女比例也比较均衡。”

她还发现国内高校做研究的老师均面临着发文章的压力,而自己的科研训练一直都是以搞清楚一个问题的本质为导向。她认为,科研不能以发文章为导向,甚至将其作为考核指标。“科研工作应该是搞清楚问题,而不是要完成一件事情。哪怕事与愿违,摸索出实验失败的原因也是一个有益的整个研究领域的好工作。”

对于未来,王琰心底有着自己的担心,年迈的父母都在国内,但自己能否在国内找到一份满意的工作,还属未知。

最后,王琰告诉《中国科学报》,她作为大会组织人,将在2023年夏天在剑桥大学举办关于二维材料的国际会议(https://www.2dtmds2023.com),目前已经有上百名领域内专家确认参会,希望国内同行也能在疫情防控允许的情况下支持参会。

相关论文信息:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05134-w

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1052-3

 
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