1839年，德國礦物學(xué)家古斯塔夫·羅斯（Gustav Rose）在俄羅斯烏拉爾山探險時，第一次發(fā)現(xiàn)了天然礦物鈦酸鈣（CaTiO3）晶體。為向俄羅斯地質(zhì)學(xué)家列夫·佩羅夫斯基（Lev Perovski）致敬，古斯塔夫?qū)⑵涿麨椤扳}鈦礦”（Perovski）。但此后的170年中，科學(xué)家們都沒能從鈣鈦礦材料上真正挖掘出寶藏。直到2009年，日本科學(xué)家嘗試將金屬鹵化物鈣鈦礦材料用于太陽能電池的開發(fā)，雖然太陽能轉(zhuǎn)化率只有3.8%，卻播下了一顆火種。

▲謝灝源

當(dāng)鈣鈦礦材料在太陽能電池領(lǐng)域堪堪邁出一小步時，它的前輩“晶硅”早已憑借成本和效率上的優(yōu)勢，成為領(lǐng)域內(nèi)的頂流了。不過，晶硅太陽能電池頭頂也懸著一把達(dá)摩克利斯之劍——轉(zhuǎn)化效率高，但29.43%是它的理論極限值，晶硅電池的上升之路似乎越來越狹窄。要想破局，必須尋找新的替代品。鈣鈦礦材料就是這顆希望之星。短短十幾年中，它的太陽能轉(zhuǎn)化率從3.8%一路狂飆至25.2%。同樣的躍升之路，晶硅電池足足用了半個世紀(jì)。

“它們比那些傳統(tǒng)的硅電池要更便宜且更容易生產(chǎn)。鈣鈦礦電池還沒有像商用太陽能電池那樣有效，但它們正在快速不斷地得到改善?！?013年，鈣鈦礦被美國《科學(xué)》雜志評為年度十大科學(xué)突破之一，并為其打上了“新一代太陽能電池材料”的標(biāo)簽。誠如其言，10年后的今天，鈣鈦礦電池還沒能大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，但它在被晶硅統(tǒng)領(lǐng)的光伏世界撕開了一道縫隙，照亮了未來。

深圳國際量子研究院研究員謝灝源，也極為關(guān)注鈣鈦礦材料的發(fā)展，比如鈦鈣礦型Ca2TiMnO6。他發(fā)現(xiàn)，近年來，圍繞這一材料展開的工作多半是在探討磁電耦合。而他想要嘗試從第一原理與密度泛函理論去研究晶體結(jié)構(gòu)，以及光、力學(xué)性質(zhì)等。

“我們發(fā)現(xiàn)了它的直接帶隙是能激發(fā)光子、基于由下自旋所產(chǎn)生的，這能讓我們更加深入地了解它的特性。而在這一方向上，以前還沒有人深入研究過?！敝x灝源說。

在雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)上下功夫

“鈣鈦礦是一種在地球上發(fā)現(xiàn)的稀有礦物，其晶體結(jié)構(gòu)可以表達(dá)成ABO3。”謝灝源解釋說，這一結(jié)構(gòu)可以視為兩種陽離子被氧原子連接起來；而Ca2TiMnO6則是一種雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其中包含了兩種以上的陽離子，它們會在晶格中產(chǎn)生扭曲，并使晶格旋轉(zhuǎn)?！斑@種結(jié)構(gòu)將會改變光學(xué)、電學(xué)和彈性性質(zhì)?！彼f。

一個重要的事實是，基于Fe3+同Mo5+的鐵磁性耦合，鈣鈦礦型Ca2TiMnO6是富有強(qiáng)鐵磁性的物質(zhì)，在雙鈣鈦礦中可謂獨樹一幟。科學(xué)家將化合物的價態(tài)和自旋聯(lián)系起來，探求這一物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性。為了摸清其底細(xì)，謝灝源團(tuán)隊想通過密度泛函理論（DFT）的模擬實驗軟件Materials Studio來研究這個晶體結(jié)構(gòu)。

作為一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，密度泛函理論在物理和化學(xué)上都有廣泛的應(yīng)用，特別是用來研究分子和凝聚態(tài)的性質(zhì)，是凝聚態(tài)物理的和計算化學(xué)領(lǐng)域最常用的方法之一。通過這一方法，謝灝源團(tuán)隊可以從雙鈣鈦礦的能帶圖中看到它的磁性所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)，從直接到間接的能間隙變化，令材料能發(fā)光。“我們希望能做一個電壓曲線I-V圖，用實驗室等設(shè)備來測試與開發(fā)以雙鈣鈦礦材料為主的新太陽能電池?！庇弥x灝源的話說，這一研究可以為太陽能帶來新材料的期望。

一言以概之，謝灝源的研究是圍繞物理性質(zhì)和材料模擬計算展開的?！皬那?，物理學(xué)一般分為實驗與理論兩種類研究。但隨著計算機(jī)及量子理論的發(fā)展，物理性質(zhì)研究和材料模擬計算已成為物理學(xué)的第三分類?！?/p>

但在研究過程中，謝灝源及其團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)格的密度泛函理論（DFT）難以在納米結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（如雙鈣鈦礦）中實現(xiàn)，必須從方法上進(jìn)行創(chuàng)新。這也令他們嚴(yán)陣以待?！拔覀冞\用第一性原理計算的方法（平面波贗勢方法），來解決各種實際問題?！彼M(jìn)一步解釋起來，這里面包括電子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化（晶胞參數(shù)、原子生標(biāo)），電子態(tài)密度、光學(xué)性質(zhì)計算（拉曼光譜、電子能量譜、光頻介電常數(shù)/虛部、吸收系數(shù)、光導(dǎo)率實/虛部），以及力學(xué)性質(zhì)計算（泊松比、體膜量、硬度、彈性力常數(shù)張量）等基礎(chǔ)研究。而英國劍橋大學(xué)所研發(fā)的CASTEP計算軟件也令他們的研究如虎添翼。最終，他們在復(fù)雜的鈣鈦礦塊體系中發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，具有I4/m（#87）空間群和晶格參數(shù)為a=b=c=5.32?；他們采用局部密度處理交換相關(guān)電位近似法，計算采用自旋極化法，能帶隙上自旋、凈零自旋和下自旋分別為1.051eV、0.988eV和1.806eV；同時，他們還發(fā)現(xiàn)了磁元素Mn對自旋誘導(dǎo)時的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響，而能量帶隙是通過從凈零自旋態(tài)到上自旋態(tài)的63meV，并有效闡明了能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的原因是在上旋、下旋和凈零旋之間出現(xiàn)了3d5軌道態(tài)的位移。

謝灝源表示，這項工作在后期將會進(jìn)一步擴(kuò)大。而他們的工作也得到了中國科學(xué)院院士俞大鵬的支持，并與其領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊開展了深入交流與合作。

“我們所有出色的工作和努力，最終將會為物理材料工程領(lǐng)域的發(fā)展作出寶貴的貢獻(xiàn)，從而有可能使用我們已有的數(shù)據(jù)對這種材料進(jìn)行更深入的研究?！敝x灝源說。

腳踏實地通大道

謝灝源是一個低調(diào)的人，哪怕在此前極為關(guān)注的鈣鈦礦研究上，他所言也不多。作為一名青年科技工作者，謝灝源只希望腳踏實地地走好每一步。

2007年，謝灝源從英國倫敦大學(xué)電子與電氣工程專業(yè)本科畢業(yè)。同年，他拿到英國研究博士培訓(xùn)賬戶獎助金（doctoral training account/DTA），前往曼徹斯特大學(xué)電子工程系攻讀博士學(xué)位?！拔易罡屑さ膶?dǎo)師有3位?！敝x灝源誠懇地說。他特別強(qiáng)調(diào)了在倫敦大學(xué)時遇到的伊扎特·達(dá)爾瓦澤（Izzat Darwazeh）教授。“在輔導(dǎo)學(xué)生時，他總是能夠?qū)⒅R深入淺出地解析出來，這令我印象十分深刻?！睂?dǎo)師的細(xì)心與耐心，以潤物無聲的形式促使他對科研產(chǎn)生了更深入的興趣。而攻讀博士期間，謝灝源師從懸浮石墨烯技術(shù)的學(xué)術(shù)發(fā)明者馬克斯·米廖托拉（Max Migliorato）博士?！八难芯恐攸c是新電子材料的理論建模和應(yīng)用。”謝灝源介紹說。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，謝灝源在4年中成功完成了GaAs/InAs非線性壓的相關(guān)理論研究，順利從曼徹斯特大學(xué)畢業(yè)，并在《物理評論B》《納米能源》《應(yīng)用物理學(xué)雜志》等期刊上發(fā)表了重要文章。

▲謝灝源（右一）與家人在機(jī)場留影

“我最后想感謝的人是俞大鵬院士。”謝灝源說。他們結(jié)緣于2013年。彼時，謝灝源已經(jīng)博士畢業(yè)，回國后在北京大學(xué)物理學(xué)院從事博士后工作，合作導(dǎo)師就是俞大鵬（2015年當(dāng)選中國科學(xué)院院士）。俞大鵬院士長期致力于人工低維納米結(jié)構(gòu)的制備、物理性質(zhì)表征及器件效應(yīng)的研究，是國際半導(dǎo)體納米線材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究的引領(lǐng)者。在俞大鵬院士的指導(dǎo)下，在李新征副教授的熱心幫助下，謝灝源將氧化鋅納米線對線彎曲的非線性應(yīng)變梯度效應(yīng)作為研究課題，開展了一系列電子結(jié)構(gòu)及能帶計算，僅用兩年，他就解決了課題設(shè)置的問題。其間，他還以訪問學(xué)者的身份回到曼徹斯特大學(xué)，開展聯(lián)合攻關(guān)工作，研究有關(guān)3-5族核殼（CSNW）的電壓。“回去了將近半年，在那邊，課題領(lǐng)導(dǎo)者還是我的博士導(dǎo)師。”謝灝源補充道。基于這部分工作，他們推出了一系列高水平論文，發(fā)表在《美國物理聯(lián)合會網(wǎng)絡(luò)版會議錄》和《納米能源》中。

此后，一直到2020年年底來深圳之前，謝灝源還經(jīng)歷了一些工作變遷。2016年，他在英國盧頓大學(xué)擔(dān)任副研究員，在課題組長希克里·哈查（Shyqyri Haxha）博士的引領(lǐng)下，從事與馬赫-曾德爾調(diào)制器有關(guān)的緊湊模型電路仿真分析研究；第二年，即以特聘副教授身份回國，前往劉應(yīng)開教授所屬的云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院任職，除正?？蒲型?，還承擔(dān)了“電路分析原理”“光電子材料與器件”等課程教學(xué)工作。去深圳，則是他深思熟慮后的選擇。“俞大鵬院士在深圳成立國際量子研究院，對我們這些科研新手來說，是一個難能可貴的機(jī)遇?！?/p>

深圳國際量子研究院（以下簡稱“量子院”）與南方科技大學(xué)淵源頗深。2016年，俞大鵬在南方科技大學(xué)成立了量子科學(xué)與工程研究所。兩年后，這個研究所演變?yōu)樯钲谑辛孔涌茖W(xué)與工程研究院。這也是量子院的前身。2021年，在深圳市科技創(chuàng)新委員會、南方科技大學(xué)、福田區(qū)政府等單位支持下，依托深圳市量子科學(xué)與工程研究院，一家獨立法人事業(yè)單位“量子院”正式成立，由俞大鵬院士擔(dān)任院長。作為深圳科技創(chuàng)新行動計劃首批啟動建設(shè)的十大基礎(chǔ)研究機(jī)構(gòu)之一，量子院致力于打造量子科技國際創(chuàng)新高地，離科技前沿近，離產(chǎn)業(yè)化更近。謝灝源相信，在這里，他將走進(jìn)更廣闊的天地?！凹尤肓孔釉褐?，我的工作就得到了河套深港科技創(chuàng)新合作區(qū)的支持。”他說。

誠如其言，僅在2022—2023年期間，謝灝源就發(fā)表了十多篇文章，其中最為典型的就是關(guān)于硅摻雜氧化鎵（Si-doped Ga2O3）晶體結(jié)構(gòu)的研究。作為第四代半導(dǎo)體材料代表，氧化鎵具有禁帶寬度大、臨界擊穿場強(qiáng)高、材料生長成本低等優(yōu)點，也是全球半導(dǎo)體技術(shù)爭搶的高地。透過Si（硅）材料雜柵的過程，謝灝源和團(tuán)隊通過第一性原理的泛函理論的簡單平面波贗勢計算，發(fā)現(xiàn)硅雜量越少，能帶值也會成正比減少。2021年，這一研究發(fā)表在《計算凝聚態(tài)》雜志中，有望為氧化鎵材料制備提供參考。

而在2022年《國際現(xiàn)代物理雜志B》刊發(fā)的一篇文章中，謝灝源對碲（Te）元素進(jìn)行了二硒化錫（SnSe2）雜柵的材料研究。通過吸收光譜，他們發(fā)現(xiàn)碲元素中的物質(zhì)可以對二硒化錫材料晶體做出“拉伸”的效果，并出現(xiàn)“紅移”的現(xiàn)象?！拔蚁嘈胚@對電子輸運有一定的影響。我們在能帶圖中所計算到的g值可以證實這一點。”謝灝源表示。

到現(xiàn)在，謝灝源已經(jīng)發(fā)表了近40篇文章，其中包括《國際現(xiàn)代物理雜志B》《現(xiàn)代物理快報B》《計算凝聚態(tài)》《美國物理聯(lián)合會進(jìn)展》《材料研究快報》等國際期刊。“我們希望能夠在新理論、新材料及新應(yīng)用等方面做出創(chuàng)新，并能夠?qū)⒖茖W(xué)研究的成果寫成文章，發(fā)表到高水平期刊上，為其他研究人員拋磚引玉?！彼f。

如今，謝灝源到深圳已經(jīng)兩年多了，他迅速適應(yīng)了量子院的發(fā)展節(jié)奏，并在這棵茂密的大樹上努力伸展屬于自己的枝葉。未來幾年，他的工作重點還將放在與量子計算應(yīng)用，以及光電、感應(yīng)器件有關(guān)的材料上。他希望能夠有更多機(jī)會走出去，也能邀請到更多專家前來量子院開展多種形式的學(xué)術(shù)交流。

一個年輕人在一個年輕的平臺上，謝灝源保持著不斷學(xué)習(xí)、完善自己的心態(tài)。對他來說，當(dāng)務(wù)之急就是務(wù)實求真、努力上進(jìn)，為將來的工作打下堅實的基礎(chǔ)。在量子院，他已經(jīng)堅定地邁出了第一步。他也希望能夠有更多志同道合的年輕人加入團(tuán)隊，團(tuán)結(jié)一致，走出一條堅實的通天大道。

專家簡介

謝灝源，現(xiàn)任深圳國際量子研究院研究員、南方科技大學(xué)訪問學(xué)者。2007年本科畢業(yè)于英國倫敦大學(xué)學(xué)院；2012年獲英國曼徹斯特大學(xué)博士學(xué)位；2013—2015年，在北京大學(xué)物理學(xué)院從事博士后研究；2016年在英國貝德福德大學(xué)擔(dān)任副研究員；2017年起，在云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院擔(dān)任特聘副教授；2020—2021年，擔(dān)任深圳市福田區(qū)南科大量子技術(shù)與工程研究院研究助理教授。以第一作者發(fā)表近40篇文章，包括國際期刊《國際現(xiàn)代物理雜志B》《現(xiàn)代物理快報B》《材料研究快報》等。