文
张喆潘豪

·　潘豪　清华大学材料学院2015级博士生

孕育成功的，是幸运更是努力

谈及自己在清华9年的经历和所取得的成果，潘豪思考了一下说：“我只是算没有辜负‘清华人’这个称谓吧；要说还有别的，那也许就是努力和幸运了。”故事发展到现在，绝不是一开始就规划好的，恰恰相反，其间充满了机缘巧合。

9年前，初入大学的潘豪想学临床医学专业，阴差阳错来到了材料系后也一直想研究医用材料，直博时在导师的建议下开始研究电介质储能材料。在研究了半年的传统钛酸铅基材料后，又因产业界对无铅材料的需求而转向新的研究体系。

潘豪说，成功有时就像在寻找走出黑暗森林的路，其实路有无数条，重要的是，找准一条，然后努力走下去。关于自己的研究课题，潘豪笑着说道，他一开始不愿意做这个项目，觉得电介质就是我们常见的电容，手机电脑里随处可见，没什么可挖掘的。但是在导师建议下了解相关背景后，发现电介质电容不仅在电子信息和能源电力方面有广泛的基础应用，而且作为脉冲功率技术的核心储能单元，在可控核聚变、高功率武器、电磁弹射等前沿科学和国防军工领域中都有重大的战略需求。从20世纪末起，高储能密度电介质材料已经成为美国、日本、中国等的角力点，美国海军和能源部投入大量的人力物力进行研究，中国也通过“973计划”对相关研究给予了重点支持。潘豪说，了解这些后，“青年人要把自己的命运和祖国的命运连在一起”这句话就自然而然地跳进了他的脑海，也最终促使他选择了这个方向。

难以到达的地方，常有绝世风景

以钛酸铅为代表的一系列含铅材料是电介质材料体系的主流，其储能密度的最高纪录为2015年美国阿贡国家实验室报道的85J/cm ³ ，已经接近电化学储能的水平。近年来，研究者开始研发更环保的无铅介电材料，如钛酸钡、钛酸铋钠等，但由于这些材料极化能力较弱，其储能性能始终远逊于含铅材料体系。潘豪说，做研究就要奔着一流去，即使失败，至少也是二流水平。

在充分调研后，他把目光停留在新型材料铁酸铋上。铁酸铋虽然具有与铅基材料相当的介电极化能力，但由于其容易产生缺陷、电压耐受能力弱、漏电流大，几乎没有人认为它可以成为高度绝缘的介电材料。在其他老师和师兄师姐都不看好这种新型材料时，令人意想不到的是，导师对他的想法给予了肯定，认为可以大胆尝试。潘豪说，导师的支持，加上“那时我还有点初生牛犊不怕虎的勇气”，使得他终于顶住压力开始了研究。

由于相关资料较为有限，课题组也没有多少前人经验可供参考，潘豪说，他前两年的主要精力就花费在了铁酸铋基介电材料的制备和改性上。没有捷径，只能系统地摸索和优化。从制备温度、氧分压，到退火温度、气氛、时间等，十多个参数逐一调试。对氧分压等一些关键参数，他采用了极细致的梯度（小于1Pa）进行调控摸索，成功地掌握了材料制备的规律，实现了高质量样品的制备。由于样品的特殊性，在测试中他也投入大量精力改造设备、探索新的测试手段。在这些过程中，他对铁酸铋基材料的性质有了更新的认识，有一些甚至打破了该领域对其的固有认知。良好的开端是成功的一半，当然做好这个开端，花了潘豪一半的博士阶段时间。

柳暗花明，潘豪说，他们的研究从此就进入一个愉悦的阶段。他们在此基础上提出了一种畴工程（domain engineering）方法，通过固溶手段将铁酸铋的微米级铁电畴调控为高活性的纳米极化微区，有效地降低了材料的介电／铁电损耗，从而显著地提高了储能性能，储能密度达到70J/cm ³ ，已经接近铅基材料的水平。这项研究成果于2018年在 Nature Communications 上发表后便引起广泛关注，一年内被引用70余次，成为ESI高被引论文。更进一步地，他们结合热力学理论和相场模拟，首次提出了一种多形态纳米畴设计（polymorphic nanodomain design）思路，通过适当的成分调控，在铁酸铋基介电薄膜中实现了菱方和四方共存的多形态纳米畴结构，在保持高极化的同时，有效降低了介电损耗，提高了击穿强度，从而实现了储能性能的大幅提升，达到112J/cm ³ ，超过铅基材料的最高水平。该介电材料在1亿次充放电循环后没有明显的性能衰退，且在－100℃～150℃的宽温度范围内保持稳定的性能。这些性质为其实际应用奠定了良好的基础，相关成果也于2019年8月在线发表于 Science 。

抢夺科研的国际话语权

潘豪的文章在 Nature Communications 发表的同期，英国皇家工程院院士、剑桥大学材料系教授Judith Driscoll带领的团队也在另一高水平期刊上发表了类似的论文，其所用的材料体系也是改性的铁酸铋。潘豪主动分享起这个故事，他说：“这一方面让我感到欣喜，世界上最先进的研究组也看到了这一体系的潜力，证明我们的研究思路是正确的；另一方面也让我深感科研竞争的异常激烈和巨大压力。”

科学无国界，但技术有先后，科学家有国籍。为祖国争夺话语权的信念和对自身实力的自信，让潘豪加快了自己的研究步伐，期待在竞争中成长和胜出。功夫不负有心人，据潘豪介绍，他们的最新成果在 Science 上见刊并申请专利时，Judith课题组的新成果才刚刚投出。更为有趣的是，2019年年初潘豪阴差阳错地获得了到Judith课题组访问一年的机会。第一次见面时，Judith便赞扬了潘豪高效和丰富的成果，并期待共同推进本领域的进一步发展。据潘豪说，目前他与该组研究人员合作，已经在若干新材料体系中取得了不错的成果。

正视失败，享受科研

对于潘豪而言，博士生涯中最大的收获不是几篇文章，而是这一过程中能力的提升和志趣的明晰。他也计划在博士毕业后继续从事科研，继续享受这种“成就感”。

而对同样在科研路上努力的师弟师妹，潘豪结合自身经历说：“正视失败，享受科研。”他坦言，科研并不总像故事一样有趣，更多的是失败、迷茫和重复。但是最有成就感的，是峰回路转、柳暗花明后的成功。 3s4pZ1SjQavktF8hzF4/M8if5cKLcacIJ2X5cEXo6idY2uuy8DCdOEa4Ztt7QaLJ