成果：低维杂化半导体材料的结构与性能调控

　　奖项：2025年度天津市自然科学奖特等奖

　　主要完成人：袁明鉴、姜源植、陈军、李赛赛、韦科妤、王梅、杨迎国

　　科研金句：把基础研究做深做透，把成果转化做实做细，以十年磨一剑的定力勇闯“无人区”。

　　看似薄片 却是层层的“叠加”

　　“传统无机半导体材料普遍存在表面缺陷多、能带匹配度差的问题。针对这个痛点，我们在基底引入了极薄的一层分子做界面修饰；在这层分子层上方，再叠加有机-无机杂化半导体材料，作为功能活性层。”在南开大学袁明鉴教授团队实验室，姜源植研究员手持马克笔，在手套箱玻璃上直接勾勒出光电器件结构示意图。

　　他继续画上一个箭头，边画边对学生说：“你看，太阳光是从器件底部的这个位置入射，在有机-无机杂化半导体活性层完成光的收集。”

　　就在半个多月前，研究团队关于正式结构钙钛矿太阳能电池研究的最新成果以27.17%的稳态光电转换效率刷新了全球纪录，于国际顶尖学术期刊《自然》发表。同时，团队的《低维杂化半导体材料的结构与性能调控》项目也摘得2025年度天津市自然科学奖特等奖。

　　从“0”到“1”重大突破、攻克“卡脖子”关键技术、培育原创性颠覆性创新成果……科创背后的故事，是“以十年磨一剑的定力勇闯‘无人区’”的执着。

　　打破传统 从“铁块”到“面包”

　　在半导体的世界里，有时“很极致”。团队核心成员、南开大学化学学院特聘研究员、博士生导师姜源植介绍，传统半导体材料如同坚硬的铁块，如硅、氮化镓等主流材料，它们结构稳固却难以塑形，“硅材料要做成薄片，得靠物理切割，厚度动辄几百微米，成本高且精度难控；氮化镓则需层层沉积，过程像浇灌水泥一样缓慢。”

　　这种“刚性”限制了材料性能突破，也成为制约半导体技术向更小尺寸、更高性能器件发展的瓶颈。而袁明鉴教授团队研发的有机-无机杂化半导体材料，彻底颠覆了这一特性，它更像一块柔软的面包。

　　姜源植说：“如果把传统材料比作铁块，我们的材料就是面包，有机小分子就是一把刀，能轻松把大块面包切成薄片，甚至切成单层、零维的小方块。”

　　其实，这类杂化半导体材料（如钙钛矿）早已被发现，但在2014年前，其半导体性质一直被忽视。袁明鉴在国外做博士后期间，偶然发现这类材料具有优异的发光特性。2016年，袁明鉴入职南开大学并组建团队，发表了领域内首篇低维杂化半导体发光器件论文，正式开启这一领域的系统研究。彼时，没人能预料到，这场从“铁块”到“面包”的材料变革，会为半导体领域带来全新可能。

　　从“铁块”到“面包”的构想很美好，但落地过程中满是荆棘。

　　姜源植以材料结晶的均匀性问题为例：“就像撒在地上的沙子，大小不一会影响整体性能，低维薄膜中，晶体尺寸不均会直接导致光电效率暴跌。”当时，作为袁明鉴教授的博士生，姜源植跟着导师频繁往返上海，与复旦大学杨迎国研究员团队合作，对接同步辐射光源这一国家大型科学装置。

　　一次次跨城沟通、一遍遍优化方案，团队最终搭建起国内首套杂化半导体结晶过程原位表征平台，实时观测晶体生长的每一步，彻底厘清结晶不均的机理。“否则，我们永远只能‘盲人摸象’，搞不清微观世界的变化规律。”姜源植说，这一突破，为后续精准调控奠定了核心基础。

　　把冷板凳坐“热” 大胆想攻坚干

　　基础研究的道路，从来都是寂寞的。团队经历了无数次实验失败、瓶颈停滞，但始终没人放弃。

　　如今，已经是博士后的李赛赛，自2015年本科二年级时便开始接触太阳能电池器件，2018年以专业第一保研至南开大学，加入了袁教授的课题组。“他直到博士临近毕业，才发表首篇学术论文，从入行研究到发文历时整整9年。”姜源植说。

　　这是李赛赛的时间安排：一般早上八点半至晚上十一点，一周六天，白天依据前一天的实验结果做出相应计划，晚上一般是文献阅读，总结实验结果，设计新的实验方案；暑假期间一般在整理文章，周末会正常休息，不休假；春节一般腊月二十七回家，初六返校。

　　2022年元旦，李赛赛已是电池小组“大师兄”——年级最高，年纪也最大。当时，实验器件性能还是不如人意，他压力很大。“师弟师妹出于好心，劝我元旦应该放松一下。”李赛赛还是拒绝了，他认为，虽然此前实验历经无数次失败，多做一次少做一次似乎不能改变什么，“但是心态上是一次次放松，还是一次次坚持，本质上是不一样的。”就是那一天的实验，小组器件性能发生巨大突破的一次，大家找到了影响器件性能的关键，后续实现了当时世界纪录效率认证。“多坚持一下，得到了收获。”李赛赛说。

　　姜源植说，李赛赛的第一篇论文登载在《自然》期刊上，“一鸣惊人的背后，正是团队‘坐冷板凳精神’的缩影。”

　　科研创新，同样还需要思维的“天马行空”。

　　当时，领域内普遍认为有机分子只能将体相材料剪裁为二维片层，而团队在实验中，敏锐地发现某类有机配体可打破这一认知，形成零维量子点——如同把面包切成细小的“肉丁”。

　　“为何能‘切’？如何去‘切’？”姜源植作为当时实验的第一亲历者，记忆犹新。团队耗时半年，动用所有表征手段，反复验证、排除干扰，最终确认这一全新现象：通过调控有机分子，可实现从零维到二维不同维度材料的精准构筑。这一成果，被《自然》杂志评价为“全新概念性的策略创新”，为光电器件制备开辟了全新路径。

　　保持好奇 “微世界”走向广阔天地

　　姜源植介绍，作为团队带头人的袁明鉴教授，即便身兼多项职务，仍坚持每天进实验室，与学生讨论实验进展。袁明鉴教授格外重视学生身心健康，反复叮嘱团队成员，不要只聊科研，要关注学生成长中的困惑，让科研之路既有温度，也有力量。

　　袁明鉴教授鼓励团队成员“把科研融入生活，保持对未知的好奇”，团队也形成了纯粹、专注、协作的科研氛围，大家心往一处想、劲往一处使，跨学科、跨单位协同攻关，联合多个团队，攻克一个又一个难关。

　　十年间，团队从最初的几人，发展为一支兼具化学、物理、光学等多学科背景的科研队伍，成果斐然。如今团队的研究成果已获国际高度认可，《自然》期刊专题评述其为“重大突破”，相关论文发表于《自然》《自然·通讯》等顶级期刊，累计发表论文133篇，总被引超2000次。但团队深知，基础研究的终极价值，是服务国家需求、赋能产业发展，从实验室走向应用，还有很长的路要走。

　　“我们现在最想做的，是把‘小面包’做成‘大蛋糕’，解决从实验室小面积原型到大面积模组的工程化问题。”姜源植说。从3厘米×3厘米的实验室小面积原型器件，到1.2米×0.6米的商用模组器件，中间涉及封装、稳定性、规模化制备等诸多工程难题。同时，面对AI技术快速发展，团队正打破学科壁垒，主动学习新知识，推动化学、物理、光学、集成电路等多学科交叉，攻克跨领域难题。

　　小小薄膜，藏着实打实的科研厚度，这段从“0”到“1”——世界第一的突破之路，走得格外扎实。袁明鉴教授曾说：“把基础研究做深做透，把成果转化做实做细，以十年磨一剑的定力勇闯‘无人区’！”也为团队定下了清晰笃定的目标：“紧密围绕未来能源国家重大战略需求，努力把我国在该领域的技术做到世界最前沿，为实现高水平科技自立自强、建设科技强国贡献全部智慧和力量。”

　　记者 单炜炜 摄影 单炜炜 宗琪琪