——記深圳國際量子研究院研究員謝灝源

 2024-02-01

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

當鈣鈦礦材料在太陽能電池領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勢，成為領域內的頂流了。不過，晶硅太陽能電池頭頂也懸著一把達摩克利斯之劍——轉化效率高，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。 

“它們比那些傳統的硅電池要更便宜且更容易生產。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。”2013年，鈣鈦礦被美國《科學》雜志評為年度十大科學突破之一，并為其打上了“新一代太陽能電池材料”的標簽。誠如其言，10年后的今天，鈣鈦礦電池還沒能大規模產業化，但它在被晶硅統領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，也極為關注鈣鈦礦材料的發展，比如鈦鈣礦型Ca2TiMnO6。他發現，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構，以及光、力學性質等。 

“我們發現了它的直接帶隙是能激發光子、基于由下自旋所產生的，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。”謝灝源說。 

在雙鈣鈦礦結構上下功夫 

“鈣鈦礦是一種在地球上發現的稀有礦物，其晶體結構可以表達成ABO3。”謝灝源解釋說，這一結構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構，其中包含了兩種以上的陽離子，它們會在晶格中產生扭曲，并使晶格旋轉。“這種結構將會改變光學、電學和彈性性質。”他說。 

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

作為一種研究多電子體系電子結構的量子力學方法，密度泛函理論在物理和化學上都有廣泛的應用，特別是用來研究分子和凝聚態的性質，是凝聚態物理的和計算化學領域最常用的方法之一。通過這一方法，謝灝源團隊可以從雙鈣鈦礦的能帶圖中看到它的磁性所產生的旋轉，從直接到間接的能間隙變化，令材料能發光。“我們希望能做一個電壓曲線I-V圖，用實驗室等設備來測試與開發以雙鈣鈦礦材料為主的新太陽能電池。”用謝灝源的話說，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和材料模擬計算展開的。“從前，物理學一般分為實驗與理論兩種類研究。但隨著計算機及量子理論的發展，物理性質研究和材料模擬計算已成為物理學的第三分類。” 

但在研究過程中，謝灝源及其團隊發現，嚴格的密度泛函理論（DFT）難以在納米結構系統（如雙鈣鈦礦）中實現，必須從方法上進行創新。這也令他們嚴陣以待。“我們運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。”他進一步解釋起來，這里面包括電子結構的優化（晶胞參數、原子生標），電子態密度、光學性質計算（拉曼光譜、電子能量譜、光頻介電常數/虛部、吸收系數、光導率實/虛部），以及力學性質計算（泊松比、體膜量、硬度、彈性力常數張量）等基礎研究。而英國劍橋大學所研發的CASTEP計算軟件也令他們的研究如虎添翼。最終，他們在復雜的鈣鈦礦塊體系中發現了相當的結構，具有I4/m（#87）空間群和晶格參數為a=b=c=5.32.；他們采用局部密度處理交換相關電位近似法，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，他們還發現了磁元素Mn對自旋誘導時的能帶結構產生了一定的影響，而能量帶隙是通過從凈零自旋態到上自旋態的63meV，并有效闡明了能帶結構發生變化的原因是在上旋、下旋和凈零旋之間出現了3d5軌道態的位移。 

謝灝源表示，這項工作在后期將會進一步擴大。而他們的工作也得到了中國科學院院士俞大鵬的支持，并與其領導的團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域的發展作出寶貴的貢獻，從而有可能使用我們已有的數據對這種材料進行更深入的研究。”謝灝源說。 

腳踏實地通大道 

謝灝源是一個低調的人，哪怕在此前極為關注的鈣鈦礦研究上，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電子與電氣工程專業本科畢業。同年，他拿到英國研究博士培訓賬戶獎助金（doctoral training account/DTA），前往曼徹斯特大學電子工程系攻讀博士學位。“我最感激的導師有3位。”謝灝源誠懇地說。他特別強調了在倫敦大學時遇到的伊扎特·達爾瓦澤（Izzat Darwazeh）教授。“在輔導學生時，他總是能夠將知識深入淺出地解析出來，這令我印象十分深刻。”導師的細心與耐心，以潤物無聲的形式促使他對科研產生了更深入的興趣。而攻讀博士期間，謝灝源師從懸浮石墨烯技術的學術發明者馬克斯·米廖托拉（Max Migliorato）博士。“他的研究重點是新電子材料的理論建模和應用。”謝灝源介紹說。在導師的指導下，謝灝源在4年中成功完成了GaAs/InAs非線性壓的相關理論研究，順利從曼徹斯特大學畢業，并在《物理評論B》《納米能源》《應用物理學雜志》等期刊上發表了重要文章。 

“我最后想感謝的人是俞大鵬院士。”謝灝源說。他們結緣于2013年。彼時，謝灝源已經博士畢業，回國后在北京大學物理學院從事博士后工作，合作導師就是俞大鵬（2015年當選中國科學院院士）。俞大鵬院士長期致力于人工低維納米結構的制備、物理性質表征及器件效應的研究，是國際半導體納米線材料應用基礎研究的引領者。在俞大鵬院士的指導下，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變梯度效應作為研究課題，開展了一系列電子結構及能帶計算，僅用兩年，他就解決了課題設置的問題。其間，他還以訪問學者的身份回到曼徹斯特大學，開展聯合攻關工作，研究有關3-5族核殼（CSNW）的電壓。“回去了將近半年，在那邊，課題領導者還是我的博士導師。”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，發表在《美國物理聯合會網絡版會議錄》和《納米能源》中。 

此后，一直到2020年年底來深圳之前，謝灝源還經歷了一些工作變遷。2016年，他在英國盧頓大學擔任副研究員，在課題組長希克里·哈查（Shyqyri Haxha）博士的引領下，從事與馬赫-曾德爾調制器有關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，前往劉應開教授所屬的云南師范大學物理與電子信息學院任職，除正常科研外，還承擔了“電路分析原理”“光電子材料與器件”等課程教學工作。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遇。” 

深圳國際量子研究院（以下簡稱“量子院”）與南方科技大學淵源頗深。2016年，俞大鵬在南方科技大學成立了量子科學與工程研究所。兩年后，這個研究所演變為深圳市量子科學與工程研究院。這也是量子院的前身。2021年，在深圳市科技創新委員會、南方科技大學、福田區政府等單位支持下，依托深圳市量子科學與工程研究院，一家獨立法人事業單位“量子院”正式成立，由俞大鵬院士擔任院長。作為深圳科技創新行動計劃首批啟動建設的十大基礎研究機構之一，量子院致力于打造量子科技國際創新高地，離科技前沿近，離產業化更近。謝灝源相信，在這里，他將走進更廣闊的天地。“加入量子院之后，我的工作就得到了河套深港科技創新合作區的支持。”他說。 

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

而在2022年《國際現代物理雜志B》刊發的一篇文章中，謝灝源對碲（Te）元素進行了二硒化錫（SnSe2）雜柵的材料研究。通過吸收光譜，他們發現碲元素中的物質可以對二硒化錫材料晶體做出“拉伸”的效果，并出現“紅移”的現象。“我相信這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。 

到現在，謝灝源已經發表了近40篇文章，其中包括《國際現代物理雜志B》《現代物理快報B》《計算凝聚態》《美國物理聯合會進展》《材料研究快報》等國際期刊。“我們希望能夠在新理論、新材料及新應用等方面做出創新，并能夠將科學研究的成果寫成文章，發表到高水平期刊上，為其他研究人員拋磚引玉。”他說。 

如今，謝灝源到深圳已經兩年多了，他迅速適應了量子院的發展節奏，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用，以及光電、感應器件有關的材料上。他希望能夠有更多機會走出去，也能邀請到更多專家前來量子院開展多種形式的學術交流。 

一個年輕人在一個年輕的平臺上，謝灝源保持著不斷學習、完善自己的心態。對他來說，當務之急就是務實求真、努力上進，為將來的工作打下堅實的基礎。在量子院，他已經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隊，團結一致，走出一條堅實的通天大道。 

專家簡介 

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

 來源：科學中國人 2024年第1期