春游灵感，他实现导师10年前的构想

在材料物理学领域，开辟一个新方向或开发一个新材料体系，向来是困难的。既需要不断试错的勇气，也需要一点可遇不可求的好运。

大约在十年前，中国科学院物理研究所（以下简称物理所）研究员鲁年鹏在做博士后期间，心中就一直思考一个问题：如何实现六方结构薄膜的解离？

2022年10月，李梦成作为联培博士生来到鲁年鹏课题组。此前，李梦成的两位师兄曾试图推进导师鲁年鹏多年前的构想，结果均不太理想。“勇气”驱使李梦成选择试试看。

“机缘巧合”的是，进物理所的第二年，一次春游活动中，李梦成在与一位研究方向不同的师姐王玉乾聊天时，获得了关键的灵感。

1月29日，李梦成为一作、鲁年鹏为通讯作者的相关研究论文发表于《自然-材料学》。他们首次发现并制备了一种水溶性、六方对称且在环境中高度稳定的BaAl2O4牺牲层薄膜，拓宽了六方柔性氧化物材料的边界。

“交流的火花对科研来说非常重要，这就是一个碰撞出来的成果。”鲁年鹏感叹，“梦成也特别有心，心里要时时有这根弦，才能碰撞出来。”“还有师弟的执行力！”李梦成的师姐王玉乾笑着补充。这些是“运气”之外，更宝贵的东西。

王玉干（左）、鲁年鹏（中）、李梦成在实验室

被忽略的“冷门”

2023年3月底的一天，水长城春游之旅即将返程，学生们三三两两坐在景区的亭子里休息。

身边绿水青山环绕，但李梦成的脑海却被迟迟没有进展的难题占据。他在着手开展自己氧化镓课题的同时，接手了被两位师兄相继搁置的难题。“当时抱着试一试的态度，反正也不冲突，刚来也不怕课题失败。”

他要找的，是一种六方对称、水溶性好、环境稳定的氧化物，并将其作为支持功能氧化物薄膜外延生长的“牺牲层”。尝试了小半年，也没能获得一个“面面俱到”的材料。

当然，心里装着课题的不止他一人。亭中休息时，学生们拿出零食饮料分享，自然而然聊起各自的课题。这时，王玉乾向他提起，她读研时，好像用过一种六方结构材料。

李梦成眼前一亮，他紧盯着师姐：“你这个材料到底是啥？咱们抓紧验证一下。”

王玉乾过去研究氧化物颜料，并没有做过薄膜，但她接触过BaAl2O4粉体——这是李梦成此前没有考虑过的材料。甚至，在各类文献中，BaAl2O4也几乎没有“存在感”，过去从未有人将这一材料制成薄膜。

如果BaAl2O4粉体可溶于水，那把它制成薄膜，其水溶性是不是也能被保留？

正如王玉乾所说，李梦成执行力很强。回实验室后，他立刻开干——长膜。

第一个薄膜样品并不完美。但当李梦成把膜在水中浸泡后并用X射线衍射检测，波峰数值告诉他，膜溶解了。“那一瞬间真的非常欣喜，真的找到了。”

不过，仅确认BaAl2O4具备水溶性还远远不够。要让它成为真正好用的牺牲层，找到其最优生长条件是关键。面对全新的薄膜材料，前途仍然未卜。

同年，在暑假前的最后一次组会上，李梦成终于向大家分享，自己摸索出了将BaAl2O4牺牲层薄膜制备成功的条件。后期每做一个功能层薄膜的外延生长，李梦成都要花费数周甚至几个月的时间。

“我记得师弟刚开始长的膜质量并不高，这是一个坎儿。牺牲层长好后，不同薄膜之间生长条件的匹配都需要不停地尝试、平衡。之后还要把功能层一个个剥离得很完美。”王玉乾的工位与李梦成相邻。课题虽不同，但师弟在这项成果背后的投入，她看在眼里。

功能层剥离过程（左），功能层完全自由剥离后（右）

解锁一个新通路

话说回来，为什么鲁年鹏要带着多位学生，坚持寻找六方“牺牲层”材料？

鲁年鹏解释，超导磁体和医用核磁共振设备等核心部件的制备，有望依赖于氧化物体系。然而，这类材料本质脆硬，难以直接用于柔性器件。难点在于，功能氧化物薄膜外延生长后，往往难以从衬底无损剥离。

为解决这一问题，水溶性牺牲层的概念于2016年被提出。牺牲层夹在衬底与功能膜之间，其溶于水后，可实现功能膜的剥离与器件柔性化。“可以想象一个三明治，将中间层溶解后，就能将两边的面包揭开。”鲁年鹏形容。

然而，自2016年起，牺牲层体系几乎全部依赖于立方或准立方材料体系，难以兼容六方或三重对称的功能性薄膜。那时，鲁年鹏在清华大学做博士后研究。他不禁琢磨，能否突破这一局限，打开六方结构材料的通路？

2018年，鲁年鹏加入物理所。他与团队屡屡碰壁，没有找出合适的突破口。但他一直坚信打开这一通路的重要性。因为过去所有的尝试都围绕四方或立方材料，而这类牺牲层易潮解、不耐高温，且限于原位生长。

“我在组会上常常说这个事。”鲁年鹏回忆道，“梦成比较有心，也整天琢磨这个事。”

在瞄准BaAl2O4后，他们发现，它除了具有水溶性，在空气以及高温氧气、氮气、氨气等苛刻环境中，仍能保持良好的晶体稳定性。打开这一新通路，将会给柔性电子器件的应用带来更多可能性。

而那些前期试错后被认为“不够好”的材料，也被李梦成最大限度地“回收利用”——它们也是展示BaAl2O4作为牺牲层具有普适性的案例。这些材料作为功能层，在成功从衬底剥离后，可以发挥巨大的作用。

比如，李梦成将In2O3功能膜集成到硅基薄膜晶体管中；将YMnO3自支撑膜集成在柔性基底上，展现了其在柔性铁电存储领域的应用潜力。他还将氧化镓集成到柔性日盲光电探测器上，实现了高光/暗电流比和极高的响应度，且薄膜在多次弯折后保持性能稳定。

用他的话说，前期的失败“都不白探索”。

“试错”的小哲学

随着不断积累做课题的经验，李梦成有了“感觉”。

“有些实验做三次，就能意识到做不成，那就赶快把它放弃。”所以，他首先会花一两周时间，快速验证核心问题，“如果验证不出来，可能就没有什么希望”。

但有希望的方向，也不一定能快速开花结果。李梦成的另一项课题就经历了一年多的试错。“能想的方法全部试过了。”他几乎要放弃了。

导师鲁年鹏建议，可以与其他课题组开展合作，快速推进相关课题。

在与合作者讨论后，李梦成欣喜地意识到，其实自己的思路是对的，问题出在制备手段上。合作者更擅长做器件，对于制备手段与工艺有更多经验。合作推进后，他们很快看到了期望的结果。

在这项最新发表的成果中，合作的力量亦有体现。2024年暑假，在测试YMnO3的多铁性功能时，李梦成三天两头带着在实验室做好的薄膜样品，跑到清华合作者的实验室，请教并学习铁电测量的原理与方法。

“所以哪怕花的时间再长，只要核心没有问题，我就会一直坚持做。有信心还是挺重要。”李梦成说，坚持不下去的时候，他会转移注意力，做一做其他实验，回头再继续尝试。

这也离不开鲁年鹏作为导师的包容、悉心培养和指导。“我们做实验的时间、课题，包括方法都没有限制。”李梦成说，这种自由感，让大家“天马行空”。

鲁年鹏也是学生开展自由尝试的坚实后盾。最初确定粉体的溶解性后，李梦成立刻向鲁年鹏提出想法：“这个有可能成，咱们买块靶材试试？”

“可以，立刻就买。”鲁年鹏果断地回复，让李梦成印象深刻。

鲁年鹏课题组合影

对于学生的“科研特质”，鲁年鹏深有感触，“我特别看重发散思维。一个学生不是基础好，就能做好科研。你要能整天琢磨一个事儿，善于联想，才会在某个时刻灵光一现。”

“我们平常背靠背坐着，或者到隔壁办公室聊聊天，说说自己最近碰到什么问题，大家互相帮忙解决。”李梦成说，如果陷入了误区，也能够在交流中及时跳出来。

“物理所是一个培养物理人才的地方，平时都是将学生当作职工平等对待。此外，每周平均数十个的学术报告能熏陶出学生的科学素养。再比如我们所里只有一个食堂。在那里，不管是德高望重的老师，还是初出茅庐的学生，只要想聊，都能聊上几句。这对初学者来说有时会起到极大的启蒙作用。”鲁年鹏补充。

对鲁年鹏而言，身为实验室的主心骨，最欣慰的莫过于遇到几个志同道合、能一起攻坚克难的学生。“铁打的营盘，流水的兵。培养一个博士生不容易，我希望学生经过博士期间的科研锻炼及科研品味的养成，以后能在社会上闯出属于自己的一片天地。”

如今博三的李梦成明年就要毕业了。在前期研究过程中，每一个材料体系、每一种新薄膜，都是他不断进步的足迹。现在，他已经带过实验室的三位新成员，也会向师弟师妹抛出新想法。

“从最初依靠导师指导，靠师兄师姐帮扶，到慢慢成长为一个主导者，成为别人的帮扶者。”对李梦成来说，这样的过程妙不可言。