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来源
丨中国科学报、材料学网
历时5年，跨越太平洋和大西洋，从中国到美国再到英国，王琰的博士研究生之旅于一年前在剑桥大学完结，顺利取得材料科学博士学位。
今年8月，剑桥大学教授Manish Chho
walla
课题组在
Nature
介绍了一种基于
N
型和
P
型范德华（
VDW
）触点的超薄光伏电池，其开路电压为
0.6V
，功率转换效率为
0.82%
。王琰是这篇论文的第一作者。
王琰等人报告了在10纳米厚的铟金属（其上覆盖有100纳米厚的金电极）和单层MoS
2
之间实现超清洁范德华接触
。使用扫描透射电子显微镜成像，作者发现
铟和金层在200摄氏度退火后形成固溶体，金覆盖的铟和MoS
2
之间的界面是原子尖锐的，金属和金属之间没有可检测到的化学相互作用
。
这也是王琰在读博期间完成的第二篇
Nature
论文，上一篇发表于
2019
年。两篇论文基于相同的材料开展研究，不同的是第一篇主要在美国完成，第二篇主要在英国和韩国完成。
2016
年从北京大学取得硕士学位后，王琰辗转美国和英国，并在读博期间连发两篇
Nature
，她收获了哪些经历？这期间又发生了什么？
王琰告诉《中国科学报》，这两篇
Nature
论文都是围绕着一种新型材料展开的研究。他们希望利用这种新型材料来制造出新一代的半导体器件。
在半导体领域，硅是最基本的材料。纯净的硅虽然无法导电，但可以通过在其中掺杂元素来改变其分子结构。
王琰进入北京大学后，
先后获得
2013-2014年
北京大学五四奖学金
，2014-2015年
北京大学学术创新特别奖
和
北京大学国家奖学金
，2016年毕业时，斩获北京市优秀研究生荣誉称号！研究生期间，以第一作者身份发表两篇文章（
Nanotechnology, 27, 175201, 2016；Semiconductor Science and Technology. 30, 054004, 2015），
第二篇文章被评为“2015年半导体科技亮点之一 ”
。
她的荣誉和成功背后都伴随着默默地付出和坚定不移的努力！
已经有研究表明，在硅晶体中掺入不同的元素可以制造出
P
型半导体（也称为空穴型半导体，因为缺少一个带负电荷的电子）和
N
型半导体（也称为电子型半导体，因为多了一个自由电子）。太阳能电池的工作原理就是利用
P
型半导体和
N
型半导体之间的电位差来产生电流。
然而，当前第三代半导体对器件的要求越来越高，硅器件的尺寸也越来越小。但是，尺寸过小的硅器件不太容易控制。因此，王琰希望在制造更小尺寸的硅器件的同时，能够有效地对其进行控制。
王琰解释道：“新材料的研发可以让器件在更小的尺寸上更易于控制。关键问题在于，这种新型半导体不能像硅一样通过掺杂来调节性能，而是需要通过调节接触电极来实现不同性能的传输。”
“在
3
年前，我研究的对象是
N
型接触电极，而在
3
年后，我转向了
P
型接触电极。这两者相辅相成，也具有一定的延续性。”王琰告诉。
王琰解释说：“在这两篇
Nature
论文中，我们主要研究的材料是二硫化钼和二硒化钨，它们只有三层原子，非常小和薄，也很容易受损。”他继续说：“新型半导体材料的数字逻辑电路运算需要同时具备有效的
N
型接触和
P
型接触。”
当被问及研究何时可以投入实际应用时，王琰表示目前的材料还不太可能完全取代硅器件。她指出，目前的研究只是解决了单个器件的金属和半导体界面问题，要实现大规模生产，尤其是生产高质量的薄膜，还需要进一步的研究和探讨。
在北京大学深圳研究生院攻读硕士学位期间，王琰在导师周航的推荐下结识了美国罗格斯大学材料科学与工程系教授
Manish Chhowalla
。
2016
年，王琰获得硕士学位后前往美国，跟随
Chhowalla
攻读博士学位。
按照原定计划，王琰预计在
2019
年左右获得博士学位。然而，计划发生了变化。
2018
年，
Chhowalla
收到了剑桥大学的邀请，决定前往该校组建新的实验室，并继续从事二维过渡金属二卤化物（
TMDs
）的研究。
此时，王琰面临着一个选择——是留在美国换导师，还是跟随
Chhowalla
去英国。最终，于
2018
年
9
月，王琰与另一位博士后一同选择了跟随
Chhowalla
前往剑桥大学。
在刚到剑桥大学组建实验室的初期，王琰回忆起自己不得不亲自采购基本的烧杯用品的经历。她说：“导师带着我们两个女孩，从零开始组建实验室和研究团队，现在实验室的规模已经从
3
人发展到
20
多人。”由于罗格斯大学的学分无法被剑桥大学认可，王琰不得不重新按照剑桥大学的要求攻读博士学位。
正当王琰准备完成第二篇
Nature
论文时，新冠疫情在英国爆发，导致新建的实验室被要求停止一切工作。然而，王琰不愿意就这样中断手头的实验。考虑到她们主要的合作团队在韩国，于是她在
2020
年
4
月做出了一个决定，先去韩国进行隔离并继续实验的完成。“论文中的原子面截图就是在韩国进行的。”她说。
半年后，王琰回到英国继续完成剩下的实验和论文，并于
2021
年
2
月提交了论文。王琰表示：“我们提供了一个相当不错的解决方案，这也是最终打动
Nature
编辑的关键。”
王琰的家乡是江苏盐城，一座被称为“国际湿地城市”的沿海小城。她本科就读于江南大学，并在完成本科学业后前往深圳。
在北京大学深圳研究生院就读期间，王琰获得了北京大学最高含金量的奖学金——“五四奖学金”，以及北京大学的“学术创新奖”和国家奖学金。她于
2016
年获得硕士学位，并荣获了“北京市优秀毕业研究生”称号。
2018
年，王琰获得了剑桥大学的
Trinity-Henry Barlow
奖学金。
目前，王琰在剑桥大学担任一份研究位（
fellowship
），主要致力于二维过渡金属二硫化物低功耗器件的研究。
对于未来的去向，王琰表示尚未确定，可能会选择留在美国、新加坡，或者回国发展。尽管她的本科和硕士专业都是微电子器件，但她在去美国攻读博士学位时转向了材料学专业。尽管在国外学习生活多年，王琰仍关注国内学术界的动态。
她在观察国内工程材料研究领域时发现了一个令她困惑的现象：在国内这个领域中，女性研究人员或教职工似乎较少。然而，剑桥大学材料系有接近一半的女性教职人员，王琰所在的课题组中男女比例也相对均衡。
此外，她还发现国内高校的研究教师面临着发表论文的压力，而她的科研训练一直以搞清问题本质为导向。她认为，科研不应该以发表论文为导向，甚至将其作为考核指标。她认为科研工作应该是为了解决问题而进行，即使碰到了挫折和实验失败，也有助于对整个研究领域的进一步理解。
王琰对未来抱有一些担忧，因为她的父母年事已高，人在国内。她不确定自己能否在国内找到一份满意的工作。
最后，王琰透露她作为大会的组织者，计划于2023年夏季在剑桥大学举办关于二维材料的国际会议（https://www.2dtmds2023.com）。目前已有数百名领域内专家确认参会，她希望国内的同行学者也能在疫情防控允许的情况下支持参与会议。
图 1. 金属-半导体界面的原子分辨率成像和化学分析
图2. 具有Pd和Pt触点的多层MoS
2
和WSe
2
器件
图3. 具有高功函数金属接触的CVD生长单层MoS
2
和WSe
2
图4. 用于MoS
2
和WSe
2
的具有不对称电极的金属-半导体-金属光电二极管
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计算内容涉及OER、HER、ORR、CO
2
RR、NRR自由能
台阶图
、火山理论、d带中心、
反应路径、掺杂、缺陷、表面能、吸附能
等
。
