文｜《中国科学报》记者 张晴丹
3个月的心血化为泡影是一种什么体验？
潘林枫曾经遭遇过一次。当时正值实验中期，还在英国剑桥大学做博士后的他想把器件做成透明的，方便光谱技术的表征，在进行到最后一步用腐蚀性气体刻蚀掉背后不透明的材料时，由于边缘反应速度过快，他眼睁睁看着耗时三个月做出的样品化成了灰烬。
那一刻，潘林枫的内心彻底崩溃，丢下这个“烂摊子”，无精打采地回家躺了两天。此后，他抱着“科研虐我千百遍，我待科研如初恋”的心境逐渐找回能量，回到实验室重头再来。
这种事情对于科研人来说很常见，人人都有遭遇困难的时候。“最重要的是要有从头再战的勇气和决心。”这些年，无论面临何种挑战和挫折，潘林枫都能重拾对科研的热情，不仅让生活过得热气腾腾，也在学术上取得了不错的成绩。
他在Nature Catalysis、Nature Communications等期刊共计发表26篇论文，据Google Scholar，发表的文章总被引超过3500次，H指数为20。近日，潘林枫以第一作者的身份在Nature发表论文，在发展面临瓶颈的太阳能燃料领域获得重大突破。
潘林枫。受访者供图
一个简单的方法，材料性能实现巨大飞跃
氧化亚铜价格便宜、储量丰富且无毒，而且在捕获阳光并将其转化为电荷方面相当有效，因此一直被认为是硅的廉价潜在替代品。但其光电催化性能与主导半导体市场的硅相去甚远。
“和其他氧化物半导体一样，氧化亚铜也有其固有的挑战性。”潘林枫在接受《中国科学报》采访时说，“挑战之一是光的吸收深度和电荷在材料中传播的距离之间不匹配，因此顶层材料下面的大多数氧化物基本上是死空间。我们要解决载流子传输距离短的问题，这是大部分氧化物半导体的通病。”
“对于大多数太阳能电池材料来说，材料表界面缺陷在性能中的影响更大；但对于这些氧化物材料来说，情况正好相反——表面基本完好，但内部的一些东西导致损失。这意味着晶体的生长方式对它们的性能至关重要。”领导这项研究的剑桥大学化学工程与生物技术系教授Sam Stranks说。
研究人员致力于如何对低成本材料进行优化，从基础研究着手，以推动化石燃料向清洁、可持续燃料的转变。为了开发氧化亚铜，使其成为现有光伏材料的可靠竞争者，需要对其进行优化，提升光生载流子分离和传输效率。
基础研究的理想对象之一就是单晶薄膜，它是具有高度有序晶体结构的非常薄的材料片，通常用于电子产品。然而，制作单晶薄膜是一个复杂而耗时的过程。
研究人员开发了一种全新的液相外延生长技术，能够在常压和室温下制作出高质量的氧化亚铜薄膜。然后，他们结合剑桥大学物理系的飞秒瞬态反射光谱，第一次观察到了电荷在各个晶向上移动的巨大差异，并精确地定量了这些参数。
“这些晶体基本上是立方体，我们发现，当电子以体对角线的方式通过立方体，而不是沿着立方体的表面或边缘移动时，它们的扩散距离能提高一个数量级以上。简单来说，电子移动得越远，性能就越好。”潘林枫介绍。
“在这些材料中，对角线方向很神奇。”Stranks说，“到目前为止，它已经在性能上带来了巨大飞跃。”对使用该技术制造的氧化亚铜光电极的测试表明，与现有最先进的电沉积制备氧化物光电极材料相比，其性能提高了70%以上。
研究人员表示，该成果实现了光电催化制氢性能的突破，这种材料和相关研究可能在能源转型中发挥至关重要的作用。
60多页回复，审稿历时一年多
在太阳能燃料领域发一篇Nature并非易事。
“这个领域总体来讲已经发展到一定阶段，进入了瓶颈期，要想实现大的突破很困难。这就好比摘果子一样，长得低的果子已被摘完，再想往高处摘就变得特别艰难。”潘林枫表示。
当时，投稿给Nature编辑时，研究团队介绍了该成果的三大亮点。
第一个是他们首次开发出一套可以室温常压生长单晶薄膜的全新液相外延生长技术，得到完美且可控可调的单晶模板生长平台；第二个是与戴霖杰博士（该论文共同第一作者）合作定制了飞秒瞬态光谱，把氧化亚铜薄膜的三个方向做了一套完整的表征，首次精确定量载流子传输的各个方向的距离，确定最优晶体方向；第三个是把多晶薄膜里晶体方向调成最优的高纯度方向，让光电流性能提升70%以上。
编辑和几位审稿人都有各自的要求，最少的提了6个问题，最多的有20多个问题。为了一一解答，补充好审稿人要求的测试，团队里来自多个国家的合作者都全力以赴。
“当时，我们在剑桥大学缺少一些关键的仪器，无法做完整的器件，所以样品需要寄回瑞士。但因为回复审稿意见有时间限制，当时压力非常大，我甚至打算亲自去瑞士做实验，但最后因为签证的时间问题没能成行，还是靠寄样品的方法来解决。”潘林枫说。
在回复意见接近尾声时，潘林枫与团队里一位来自波兰的同事经常工作到凌晨一两点，被大家逗趣称作“守夜人”。
“我们补做实验用了近5个月，撰写回复意见用了3个多月，回复意见长达60多页，导师反复修改了4遍才再次投出，并得到编辑和审稿人认可。”这一次经历也让潘林枫见识到“正刊之难”，从2022月12月首投至文章最终发表，用了一年多时间。
之所以这项研究成果能被Nature接收，是因为这篇文章为所有氧化物半导体提供了优化性能的一个解决方案。而且，该研究提供了一系列针对各项测试的表征，太阳能电池、探测器或晶体管等研究都可以借鉴这套测试方法。
遇到好导师很重要
很多人不太认可运气的作用，把取得的成就归功于努力或天赋。但在潘林枫看来，运气在人生中扮演着重要的角色，其中最大的运气就是遇到好导师。
潘林枫本科就读于南京工业大学。在华东理工大学获得硕士学位后，他特别希望能出去看看不同的世界，感受一下科研水平的差异，于是申请到瑞士洛桑联邦理工学院影响力很强的Michael Grätzel课题组读博。
“Grätzel教授（该论文共同通讯作者）是世界著名光电材料化学家、染料敏化太阳能电池之父，有着很高的学术造诣，他在学术上的一些见解很独到，对我影响很大。”潘林枫表示。
潘林枫读博期间有两位导师，除Grätzel外，另外一位是Anders Hagfeldt（该论文共同通讯作者）。“Hagfeldt为人非常kind，他不仅指导研究工作，还在生活上给予学生关照。我在读博期间结婚生子，有时候很难平衡工作与家庭，于是经常向有一儿一女的Hagfeldt‘取经’，他提出很多当好父亲的建议。”
博士毕业后，潘林枫萌生了独立带课题组的想法，但跟着已经80岁的“大牛”Grätzel并不能得到有效锻炼，因为名声很大的科学家，合作和资源都是自己找上门。
所以，潘林枫选择到Stranks实验室做博士后。“Stranks是一个非常理性、严谨且高效率的科学家，对我们做科研方面的反馈速度非常快，而且为我这项研究提供了很多资源。他对课题组的现代化管理模式，也让我受益匪浅。”
Sam Stranks课题组合影。受访者供图
好的导师能营造好的实验室科研氛围。虽然欧洲的科研节奏比中国、美国慢很多，但潘林枫所在的课题组非常有名，总体节奏非常快。“我们的工作强度很大，做实验从早上9点到晚上11点是常态，但因为周围的人都特别努力，跟他们交流和学习很开心，所以也不会觉得累。我真的很喜欢这种志同道合为科研奋斗的氛围。”
幸得妻子全力支持
能取得现在的成绩，潘林枫很感谢一个默默付出的人——自己的妻子。
“她也是在洛桑联邦理工学院读博，我们结婚后有了可爱的孩子，那时候因为新冠疫情管控，我的很多科研工作都受到影响，当购买的仪器等了一年半才寄到后，她全力承担起照顾孩子和家庭的重任，无条件支持我干好工作。”潘林枫说。
“因为她也在做科研，我们有很多共同语言，经常会交流前沿进展、职业发展等话题。我常常能从她的观点中学到东西并纠正自己的错误。”
已经在国外生活和工作多年，要做出回国的打算并不容易，但妻子非常赞同潘林枫回国的决定。有了妻子作为后盾，潘林枫在这篇论文被接收后就马不停蹄地回国，到苏州、杭州、上海等地寻找心仪的学校。目前，他即将入职一所“985”高校。
“现在，国家对青年科研人才支持力度很大，我们都觉得现在回来是一个好时机。而且国内太阳能燃料的光谱测试研究很缺乏，我想利用在国外这么多年的知识积淀，在国内搭建起相关实验室，让这个领域的研究加速发展起来。”潘林枫说。
参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07273-8
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