專家信息：

宋飛，男，1983年2月出生，中國科學院上海應用物理研究所“**計劃”研究員，碩士生導師。 

教育及工作經歷：

2000.09-2004.06，國防科技大學應用物理系學士。

2004.09-2009.06，浙江大學物理學博士。

2007.10-2009.03，丹麥奧胡斯大學聯合培養博士生。

2009.09-2011.05，挪威科技大學博士后。

2011.06-2014.08，荷蘭格羅寧根大學博士后。

2014.08-今，中國科學院上海應用物理研究所研究員。 

主講課程：

資料更新中……

培養研究生情況：

擬培養4-6名研究生。

研究方向：

主要集中在基于界面/表面的低維及多維納米結構的制備和表征上，主要利用掃描隧道顯微譜(STM)、光電子能譜(XPS, ARPES)以及超高真空四探針電導測量系統進形貌結構和電子、電學性質的研究。如功能有機分子在金屬/半導體界面上的自組裝超分子結構和聚合構筑體結構，以及基于SiC基底的石墨烯微結構的調控制備；半金屬Bi的拓撲表面態的研究及其薄膜潛在的拓撲態的探索，Bi2Se3拓撲絕緣體的摻雜研究等。

承擔科研項目情況：

1. 所啟動資金項目，近常壓光電子能譜基站的搭建及相關科學問題研究，負責人，70萬元。

2. 荷蘭國家自然科學基金項目，一維分子鏈的電學性質研究，主要參與人，50萬歐元。

科研成果：

1. 利用掃描隧道顯微鏡譜、光電子能譜等系統，對組裝在Ag/Si(111)半導體表面上的CoPc有機分子層的電導、電子結構、能帶結構等進行測量。這是國際上第一次直接測量到了有機分子薄膜層的導電特性，與其他間接測量有機薄膜層電導性質相比，更加直觀可信。這項研究不僅在探索有機半導體材料在金屬和半導體電極上自組裝的機理和電學性質方面取得了重要的原創性成果；更重要的是，發現了有機分子薄膜層的電導隨其厚度呈現出非線性變化的規律和隨溫度變化而出現的相變現象。這項研究對設計新型光電器件及提高有機分子器件的效率和性能都有著重要的指導意義，解決了該領域內的一個關鍵問題。

2. 對于傳統加熱SiC制備石墨烯的方法提出了優化：利用Fe薄膜層的幫助，只需加熱SiC到700℃左右就得到了石墨烯，同時降低了退火溫度（能耗）和石墨烯的表面缺陷。本研究的創新之處在于實現了石墨烯的可控生長和對石墨烯納米結構的微調控，如石墨烯量子點、石墨烯納米帶、石墨烯納米島等，這將對加速豐富石墨烯的產業化應用道路起到重要的推動作用。

3. 完成E-line軟硬X射線結合的近常壓光電子能譜實驗站的設計方案及可行性設計評審。

自2014年8月底加入上海光源團隊后，緊緊圍繞光源二期工程的規劃和肩負的任務，借鑒國同類裝置的建設經驗并基于現有基礎和工作積累，認真論證、規劃E-line光束線中的軟硬X射線結合近常壓光子能譜實驗站（NAP-XPS）的設計方案，從實驗站的布局規劃，到各個腔體的大小及擴展窗口的選擇都仔細研究。和E-line建設團隊一起在2014年10月組織國內相關專家對設計方案進行了討論，并在專家反饋意見的基礎上對設計方案進行了進一步的細化。目前實驗站設計方案已完成了可研報告，并于2015年3月初參加了國內可行性設計評審，后面將進一步細化設計報告并準備方案的英文版，參加2015年4月組織的國際專家可行性評審會。

4.開展了碲在鎳基合金中的擴散及相對應的微機構變化的研究，以及Zn4Sb3能源材料因熱處理引起的熱電性能改變及對應的結構變化研究�；�于課題組的交叉研究與核能堆材料課題組的合作研究需要，展開Te在Ni金屬中的擴散及吸附研究，利用XPS實驗方法研究分析Te與Ni的反應產物和Te的擴散機理，并撰寫了相關的國際科學基金申請書，以期掌握裂變產物Te誘發鎳基合金開裂的機理，為熔鹽反應堆技術和相關合金材料研發提供必要基礎理論指導。同時，和丹麥Aarhus大學合作，利用他們生長制備Zn4Sb3熱電合金材料，我們對其熱電性能的變化與內部結構的關系展開了系列研究，通過XRD,XAFS,SEM及EDS等手段綜合分析清楚了表面及界面的精細原子結構及其隨著溫度的變化規律，掌握了其內部的原子配位精細結構和其熱電性能隨溫度改變的物理機制。

代表性論文：

1. One-dimensional spin texture of Bi(441):Quantum spin Hall properties without a topological insulator，Physical Review B，2015，第2作者

2. Comment on “Insight into Organometallic Intermediate and Its Evolution to Covalent Bonding in Surface-Confined Ullmann Polymerization”，ACS NANO，2014，通訊作者

3. Self-assembly of pyrene derivatives on Au(111): substituent effects on intermolecular interactions，Chemical Communications，2014，第2作者

4. Supramolecular self-assembly of metal-free naphthalocyanine on Au(111)，Physical Chemistry Chemical Physics，2014，第2作者

5. The layer-by-layer stoichiometry of La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3 thin films and interfaces，Surface and Interface Analysis，2013，第1作者

6. Surface stoichiometry of La0.7Sr0.3MnO3 during in vacuo preparation; A synchrotron photoemission study，Surface Science，2012，第2作者

7. Iron-mediated growth of epitaxial graphene on SiC and diamond，Carbon，2012，第2作者

8. Extracting the near surface stoichiometry of BiFe0.5Mn0.5O3 thin films; a finite element maximum entropy approach，Surface Science，2012，第1作者

9. Robust Surface Doping of Bi2Se3 by Rubidium Intercalation，ACS NANO，2012，第2作者

10.Suppression of the surface conductivity transition temperature by organic adsorbates on Si/Ag，Applied Physics Letters，2011，第一作者

11. Direct measurement of electrical conductance through a self-assembled molecular layer，Nature Nanotechnology，2009，第1作者

12. The adsorption with chairal structure of Fc-1 on Cu(110)surface，Chemical Physics Letters，2008，第一作者

13. Electeonic structures of CuPc on a Ag(110)surface，Journal of Physics:Condensed Matter，2008，第一作者

榮譽獎勵：

1. 2014年，入選中國科學院“**計劃”研究員。

2. 2007年，獲寶鋼優秀學生特等獎，特等獎。

在凝聚態物理研究中發現未來

——記中科院上海應用物理所研究員宋飛

寒冷冬天的窗玻璃上，常出現形態各異的冰花；夏日雨后的荷葉上，常有滴滴水珠滾動……這些現象對于普羅大眾只是平常現象，而對于科學工作者卻是探索研究的源泉，“這是表面界面上的動量、能量和質量的遷移現象”，中科院上海應用物理所宋飛，從他的專業角度闡釋了這兩個現象。

小現象中的大發現

每談到研究，平時少語的宋飛像變了個人似的，話匣子一下打開了，“凝”在東漢許慎的“說文解字”一書中同“冰”，指的是水結成冰的過程。而英語表述是condense，指的是密度變大，從氣或蒸汽變液體。看來西方人對凝聚現象的注意可能始于對氣體的觀察，特別是水汽從氣態到液態的現象。這是很有意思的差別，不過東西方二者原始意義的結合，恰恰就是今天凝聚態物理主要研究的對象—液態和固態。凝聚態物理學是從微觀角度出發，研究凝聚態物質的宏觀物理性質與微觀結構以及它們之間的關系的一門學科。

作為當今物理學最大也是最重要的分支學科之一，凝聚態物理學涵蓋了固體物理、晶體物理、金屬物理、半導體物理、電介質物理等學科，研究范圍包括了與社會生活緊緊相關的方方面面——而正是這些與社會生活相關的研究深深吸引著宋飛。他最先關注到有機發光二極管，這項技術利用了有機薄膜的電致發光特性，“有機薄膜自身的電能如何？”這是他首先想到的，如果薄膜的導電性能不好，電荷的傳輸就會慢下來，而電子結構本身的改變也會影響電子的傳輸性能。為此，他開始對不同厚度薄膜材料的電學性能進行檢測，在實驗室自己搭建了納米探針電導測量平臺并利用掃描隧道顯微鏡譜、光電子能譜等系統，對組裝在Ag/Si(111)半導體表面上的CoPc有機分子層的電導、電子結構、能帶結構等進行測量。這是國際上第一次直接測量到了有機分子薄膜層的導電特性，與其他間接測量有機薄膜層電導性質相比，更加直觀可信。這項研究不僅在探索有機半導體材料在金屬和半導體電極上自組裝的機理和電學性質方面取得了重要的原創性成果；更重要的是，發現了有機分子薄膜層的電導隨其厚度呈現出非線性變化的規律和隨溫度變化而出現的相變現象。這項研究對設計新型光電器件及提高有機分子器件的效率和性能都有著重要的指導意義，解決了該領域內的一個關鍵問題。他的研究也在這個基礎上一發不可收拾。

從興趣使然到理性選擇

“最想讀軍校，去部隊為祖國的國防事業做貢獻”，這是年少時宋飛的夢想，也是他本科選擇國防科技大學的原因。高中的物理課程學到了很多電學、光學、力學的知識，讓他覺得能用物理知識解決生活中的實際問題非常有成就感，尤其是班主任“把物理知識掌握好了，就可以把知識與社會、科學結合起來，讓知識發揮應用價值”的一席話，令他最終選擇了偏應用的光電物理，從此走上了應用物理研究征途。

本科畢業后，受學長影響，宋飛選擇了去浙江大學從事凝聚態物理研究，并有幸遇到在凝聚態物理研究領域中頗有一番見解的良師。在導師的引導下，宋飛經歷了從最初探索新材料到相關研究制備，從研究相關機理到對以應用為背景的有機發光二極管器件研究，再到表/界面電子傳輸、傳輸效率、電導性質等研究。在一步步的摸索中，他從對凝聚態物理產生興趣，發展到不斷研究，不斷總結，并在此基礎上，先后發表了《有機半導體在金屬表面上的電子態研究》《吸附在金屬表面上的二維有機薄膜的電子結構和電學性質測量》等一系列學術論文。隨著專業研究的深入，隨著人生閱歷的增長，宋飛愈來愈感到研究不僅是限于學術，研究還要有別的意義……這時，浙大要選送一批成績優異，具有發展前景的學生到海外進行聯合培養，天道酬勤，宋飛被浙大第一批選中，2007年，他踏上了異國研究旅程。

在7年的“游學”中，宋飛在丹麥、荷蘭、挪威、德國等不同國家的不同實驗室進行研究，在不同的環境中，與不同科技工作者的交流中，宋飛發現表面/界面工程技術是當前材料研究領域的熱點、還是發展新技術產業和改造傳統產業的增長點和結合點，他告訴記者，“一般來說物體本身是均一的物態，所以不會發生太大變化，然而在兩種不同材料的交匯處，即我們所說的表面/界面，就會產生電學性質、物理性質、力學性質以及功效性質等一系列變化，這些變化不僅在理論上有重要的研究價值，而且在幾乎所有的工業領域都有廣泛應用”，“這些年的研究經歷告訴我，所有的研究項目都要有明確的目標”。他的目標就是，研究凝聚態物質表面和界面處各種新穎的物理現象和性質，比如新型低維納米結構電子性質的表征和調控，解決新型器件如有機鈣鈦礦太陽能電池、有機發光二極管中界面處影響器件效率的一些關鍵科學問題。

7年的“游學”不僅令宋飛開闊了眼界，找到了研究的意義，而且最大的收獲是獨立思考和動手能力。在國外，不論是研究生，還是博士生一般只有幾個月的適應期，此后就必須由學生自己獨立思考、摸索、親自動手操作，并在每周的組會上要闡述自己的研究和發現，這些對開展科學研究具有很大的啟發作用，這與國內學生動手能力和獨立思考能力不強形成了鮮明對比。具體是什么原因造成這種差距？宋飛認為，一方面是因為國內學生多而實驗設備有限，學生可操作的時間有限，同時也擔心損壞實驗設備而受到導師的批評，大大降低了親自動手的積極性；同時，國內不少學生都習慣于參考一定程序和模式，沒有思考過程。他希望在對學生的培養中要增加一些獨自動手和獨立思考的機會，他希望，他的學生能多向他提問，能勇于探索，這也是他回國的一個目標。

當談到回國目標時，宋飛說，“國內的科研進步非常大，特別是近幾年，國家不但在科研的硬件與軟件上投入很大，而且對人才扶植也很大，就想盡快回國，建立起一支高效的科研團隊，利用自己的研究專長以己之力為國家做點貢獻。”2014年，宋飛放棄了國外優越的條件，作為中國科學院“**計劃”海外杰出人才引進回國。

科研的意義在于應用

“科研的目的在于應用，應用研究的意義是造福于社會、造福于民”，在研究中宋飛始終堅守著這樣的理念，他認為，如果只強調傳統的基礎物理研究，會與應用結合脫離太遠；如果一味強調“探索發現”，又容易“天馬行空”使目標不明確，喪失科研的意義。

傳統的石墨烯要1000多度的高溫，才能將碳化硅中的“碳”分離出來，形成石墨烯。1000多度的高溫不僅能耗高，形成資源浪費，而且，這樣的高溫會導致樣品形成缺陷，能不能把溫度降低？在研究中宋飛常常這樣想。他發現當鐵遇到硅時會形成新的化合物，在700度的溫度下，“碳”就能輕易分離出來，形成石墨烯。這項“一舉兩得”的研究，不僅降低溫度，得到了石墨烯，還創新性地實現了人為調控的石墨烯納米結構，如石墨烯量子點、石墨烯納米帶、石墨烯納米島等，“這是因為鐵膜的形狀可人為控制所致”。

隨著新能源、新材料在各領域方興未艾的廣泛應用，太陽能電池作為新能源中一支新秀，異軍突起，倍受市場青睞，其涵蓋內容廣泛。然而，在制作多晶硅的環節中會產生嚴重污染，加之清洗材料中含有各種化學制劑，使污染加重。而中國作為多晶硅太陽能電池原料的出口大國，深受其害，研究無污染的新型能源成為國家重大戰略需求�；貒�后，宋飛敏銳地捕捉到這個信息，他發揮一己之長，在功能性有機薄膜材料和鈣鈦礦太陽能電池上開展了一系列研究。基于對不同類型的薄膜材料的深刻認識，他特意挑選幾種功能性薄膜材料并結合在一起，從而制備出性能優異的電子產生層、空穴產生層等。

在研究中，盡管他的側重點是應用研究，但他認為，基礎物理研究也會對核心的應用研究產生影響。比如在鈣鈦礦太陽能電池研究中，他就是借鑒前期有機薄膜的機理研究，通過摻雜引入功能性有機小分子，發現器件的性能得到了大幅提升，并通過研究其光電轉換效率的提升與相對應結構變化的關系，找到能形成穩定的鈣鈦礦結構且擁有較高的光電轉換效率的納米材料。他希望，通過這些研究，能為國家在新能源和新材料的發展上做出一點貢獻。

大平臺上的那扇窗

2014年8月底，宋飛加入了上海光源的大團隊。如果說上海光源是我國迄今建成的規模最大的大科學裝置和多學科研究平臺，那么，宋飛的研究就是這個平臺上展示風景的那扇窗。這里是我國提升原始創新能力和培養凝聚優秀人才的多學科交叉研究的重要平臺。

實驗室的研究結果大都是在超高真空或超低壓等非常潔凈的環境中得到的，雖然材料的性能非常好，但在真實環境中，受氣壓、水分、各種污染氣體影響，其原有的性能很有可能就會不復存在甚至改變，這意味實驗室中得到的好產品在真實應用環境中將可能失效，如何彌補這個壓力鴻溝便成了當下亟待解決的難題。方向決定行動，人才托起成功，借助上海應用物理研究所材料與能源科學部的科研力量，宋飛很快組建了一支蓬勃的科研團隊。借鑒國外同類裝置的建設經驗，在現有條件的基礎上，他們設計了軟硬X射線結合的近常壓光電子能譜實驗站，以便模擬一個盡可能真實的實驗環境，規劃已經獲得國內外專家的可行性評審通過。這期間大到實驗站的布局規劃，小到各個腔體的大小及擴展窗口的選擇無不傾注著整個團隊的心血。“實驗站一旦建成不但可通過調節入射光子能量，實現逐原子層（layer by layer）的元素分辨及化學形態的精細識別，而且能在氣相、液相、固相等原位條件下，實時準確檢測各種樣品的物理結構、電子結構和化學形態，直接觀察到表面反應過程、形貌結構變化，從而滿足材料、物理、化學等多學科領域的多重需求。”

宋飛欣喜的不僅是他的多項研究將在這個平臺上得以實施，而且能通過這道窗，向世界展示他們原創的、新穎的“風景”。

來源：科學中國人 2015年第10期