原子沉积构筑全新未来——记武汉大学工业科学研究院研究员李照东

李文博

2015年李照东于芝加哥留影

2018年5月，芬兰技术学会宣布将“千年技术奖”授予芬兰物理学家图奥莫·松托拉，以表彰他研发了在信息技术领域发挥重要作用的原子层沉积技术。

原子层沉积技术可以将物质以单原子膜形式一层一层镀在基底表面，在许多高科技领域发挥着重要作用。当前，几乎所有的计算机和智能手机中都会使用通过原子层沉积技术制成的薄膜元件。不仅如此，原子层沉积技术的优点也引起了其他领域的重视，且已经广泛应用于如光伏太阳能板、光学镜头镀膜、柔性电子、新能源电池、航空航天等相关领域中，并已初步实现产业化论证。目前，武汉大学工业科学研究院研究员李照东正致力于研究其沉积过程中的原子结晶行为，并将其应用于界面调控及绿色能源转化器件，他期待原子层沉积技术在未来发挥出更大的作用。

探索——从物理出发

少年时，李照东就对物理有着浓厚的兴趣，他第一次参加全国奥林匹克物理竞赛时就拿过奖。高考填写志愿时，他也是立足于自己的兴趣，选择了天津大学应用物理专业。在李照东的理解里，应用物理就是将物理的知识服务于社会。“因为从小看过的科学家故事里，我最喜欢发明家的故事，所以发明和应用更符合我的兴趣。”在此后的近20年间，缘起于对物理世界的好奇心，李照东开启了他的探索之路。

大三时，李照东有幸参与了全国第一届国家大学生创新性实验计划项目，跟着老师进入实验室，他对科研产生了浓厚的兴趣。“我还记得，大三时跟着刘昌龙老师研究在退火情况下离子注入纳米颗粒的演化，这是我第一次接触到纳米和热物理过程。现在想想，这个经历对我影响很深远，因为我今天研究的原子层沉积也是一个热物理过程。”这样的经历促使李照东在本科毕业后，选择了继续深造学习。

2009年秋天，李照东踏上飞往美国路易斯安娜州的飞机，开始了在异国他乡的求学之路。硕士期间，李照东读的是材料物理，接触到了用来制备纳米材料的化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）技术。“硕士读完的时候，我在科研领域已经有了一定时间的训练，那个时候有一种非常强烈的渴求，我得再学些什么，再了解些什么。”硕士毕业后，李照东申请了美国威斯康星大学麦迪逊分校的材料工程专业，在王旭东教授课题组攻读博士。

这是一个研究不断深入的过程，而随着研究的不断深入，李照东与原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）的接触也越深。ALD是一种基于有序、表面自饱和反应的化学气相薄膜沉积方法。通俗来说，可以将一层层亚纳米厚的薄膜均匀地“包”在物体表面。这种能够将各种功能材料在亚纳米尺度上实现均匀包覆的技术，很好地解决了目前功能器件中的缺陷和均匀性的问题，也是一种精确可控的薄膜生长技术。

博士期间，李照东的主要工作是ALD和CVD的生长机理与模式革新，以及实验室ALD和CVD系统的搭建和维护。“我不光做研究，还开始做一些设备的设计搭建和维修的工作，科研习惯也从单纯的书本和文献上的科学问题拓展到实际应用问题。”李照东说，这是一个非常有意义的科学训练，这个训练让他从最基本的部件单元开始了解仪器的系统，相当于军人练习组装枪支，从它的骨架构造开始了解，“所以我可以从结构单元上了解仪器本身的设计原理，并且进行改造升级，一旦一起出现问题，我也知道如何去修理它，这是一个从理论到实践的训练”。

李照东与美国农业部林产品实验室的科学家合作，将所学的知识运用到实践中。在所有纳米结构的3D形态中，纤维素纳米纤维（Cellulose Nanofibers，简称CNF）因其丰富、低成本、可降解性和生物相容性而在纳米制造中受到越来越多的关注。李照东利用从木材中提取的CNF作为模板，对沉积二氧化钛（TiO2）薄膜材料进行高效的光电化学水分解。

利用CNF薄膜优异的亲水性能，李照东开发出了一种毛细管光电化学（Photoelectrochemical，简称PEC）装置，用于在电解质体外部进行水分解反应。他将活性二氧化钛纳米管光阳极原位合成于导电基板上并用环氧树脂封装，在中心留下暴露区域，光阳极的底部与CNF薄膜接触。在这个实验设计中，光阳极放置在电解液之外，由于CNF优异的亲水性，毛细作用力可以将电解液快速、持续地“吸”到光阳极表面，从而避免了电解液对光能的吸收损耗，并且增加了反应动能，从而使光解水产氢的效率大幅提高。

以上研究成果，李照东以《纳米纤维素模板制造二氧化钛光阳极用于高效毛细法光电化学水分解制氢（Highly-Efficient Capillary Photoelectrochemical Water Splitting Using Cellulose Nanofiber-Templated TiO2Photoanode）》为题发表在材料领域期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。“这是我博士阶段发的第一篇文章，它解决了一个很关键的问题，这让我非常有成就感。”李照东开心地回忆道。

沉浸——不忘初心，方得始终

博士毕业后，李照东在美国伦斯勒理工学院进行博士后的研究工作。在此工作期间，他革新了ALD前驱体种类与稳压供给技术，突破了二维材料共形包覆三维微纳结构的难点，大幅提高了过渡金属硫化物锂离子电池电极嵌/脱锂的稳定性。

李照东利用固体的无机硫（S）与四氯化钛（TiCl4）作为ALD前驱体，实现高温下的多晶二维硫化钛（TiS2）合成，同时设计了固相硫熔化与气相硫注入的关联控制系统，利用系统压强变化脉冲（ΔP）反馈控制硫的熔化温度，系统解决了ALD固体前驱体因蒸气压低造成的注入量不稳定问题。

经过深入的实验观察与性能检测研究，李照东发现与TiS2共形包覆结构相似的三维微纳硫化钒（VS2）锂离子电池电极，可以有效保持高锂离子扩散率与电导率，同时吸收锂离子出入电极晶格引起的应力突变，电极结构在嵌脱锂下保持稳定，容量保持率提升1.5倍（400个充放电周期）。在这一研究工作中，李照东完成全部CVD、ALD材料合成探索及参数优化。以上研究成果，发表在《自然·通讯》（Nature Communication）上。

此时的李照东，已经在美国的高校进行了近10年的科学研究，他对从未接触过的美国国家实验室十分好奇。因此，李照东在结束了伦斯勒理工学院的博士后研究项目后，入职美国国家可再生能源实验室，开展新的研究工作。

在美国国家可再生能源实验室的3年时间里，李照东在二维材料领域开展了一系列气相合成及材料应用拓展方面的创新性工作，并且在绿色新能源转化、碳中和研究领域取得了丰富的成果。仅2021年一年，李照东在领域内期刊《能源与环境科学》（Energy &Environmental Science）上发表了2篇论文。除此之外，他还在新能源储存催化方面发表了7篇论文，并两次获得美国国家可再生能源实验室材料化学与计算科学部年度杰出贡献奖。

在这个过程中，李照东也切身体会到了美国国家实验室和美国高校在科研管理和科研目标方面的差异。“不同于高校对于新发现的发散性探索，在国家实验室里，它的每个科研项目都有明确的目标，每一个项目里科研人员都要根据目标开展工作，并在计划的时间点完成并总结，以保证整个项目能达到既定目标。”李照东如此解释道。

留学期间，李照东回国探亲与父母游览颐和园

2020年，是新冠肺炎疫情非常严重的一年，李照东手上的研究工作却没有停摆，他每天早上依旧准时去实验室报到。“我们实验室的管理还是比较严格的，通过网上系统进行预约，每个时间段只能有一个人在工作，尽可能减少被感染的风险。”李照东说，科学研究是不会因为疫情而停下脚步的，所以他希望能利用这段时间做更多的研究积累，为之后回国做准备。

2022年4月，李照东回国到武汉大学工业科学研究院担任博士生导师和研究员。李照东坦言，做科研是一个不断攀登高峰的过程，只有真正掌握了知识和技术，才能成为独当一面的科研工作者。“我觉得历练到位了，这十几年的海外之旅才不算浪费。”这是他最终选择回国进高校做科研的原因。

信心——原子层沉积的新未来

在物理的世界里，李照东收获了很多，他真切地感受着科学研究的重要意义，也从每个阶段的导师身上体会到有恩师指引前行的珍贵。

李照东在大学时，跟着刘昌龙老师做过许多物理的实验，第一次感受到文献的魅力。读博时，他在美国威斯康星大学麦迪逊分校王旭东老师的指导下第一次以实际问题为导向做研究，了解仪器和系统的维护和搭建后去解决相应的问题。做博士后时，王国庆老师增强了他解决问题的能力，教他如何写出更优的方案，如何去做实验设计，规避实验中可能会发生的危险。“这些经历是一个很好的科研培训，是我之后需要传递给学生的宝贵经验。”李照东如是说道。

在王国庆老师的实验室里，有一个柜子被李照东称为“灵感之柜”，柜子里有好多以前学生留下的奇形怪状的设备、零件，“我看着柜子里的零件，脑海里经常冒出许多的奇思妙想。之前做过的一个项目，就是在‘灵感之柜’里找到的灵感，最终完成了实验”。这样的场景总会让李照东想起小时候在阳台上翻爸爸的工具箱，那是值得他永远回味的童年乐趣。

李照东与美国国家可再生能源实验室课题组成员合影

走在探索无止境的科研道路上，李照东遇到过很多的困难和失败。面对失败时，他却有别样的一番感悟。“我的师兄跟我说，失败是盲人走进一个房间，他把房间里所有的墙角都摸出来，虽然可能是无用功，但却了解了房间的大致空间，盲人也就知道了自己站在哪里，下一次就能走到正确的位置上，找到通向成功的道路。”正因如此，李照东从不害怕失败，因为他知道自己离成功不远了。

从2022年4月正式任职至今只有几个月的时间，李照东还在慢慢适应和探索国内的科研生活。“我所在的团队里年轻人特别多，老中青三代科研工作者结合得非常好。我向年长的老师学习请教，和年轻的老师互相鼓励进步，我们相处得非常愉快。”这是李照东非常喜欢的一种状态。

作为一名老师，李照东希望自己的学生不怕困难，不轻易沮丧，并且乐于通过科学研究去做一些有挑战的事，不以纯功利主义去做研究，而是不忘初心，永远记住自己选择科研道路的初衷。“我会从科研习惯、批判性思维、动手能力、数据分析收集能力、资源整合能力、解决问题的能力、语言表达能力和学生指导的能力这几个方面来培养我的学生。”他希望学生能够全面发展，在科研的道路上越走越远，并且能在不远的将来培养更多的学生，为祖国的科研事业贡献新的力量。

面向未来，李照东将延续之前在国外的研究方向，开展原子级热力学与动力学精确调控ALD材料结晶的研究工作，推动先进ALD装备和能源技术开发与材料合成技术深度融合。“我的目标是进行气相沉积技术模式与装备的革新，并通过机理调控开发出一些新的材料，应用于新能源领域。”同时，面对国家提出的碳达峰和碳中和战略，李照东也希望结合自己的所学，为国家贡献绵薄之力。