90后女孩劍橋讀博，3年兩篇Nature一作

歷時5年，跨越太平洋和大西洋，從中國到美國再到英國，王琰的博士研究生之旅于一年前在劍橋大學完結，順利取得材料科學博士學位。

今年8月，劍橋大學教授Manish Chhowalla課題組在Nature介紹了一種基于N型和P型范德華（VDW）觸點的超薄光伏電池，其開路電壓為0.6V，功率轉換效率為0.82%。王琰是這篇論文的第一作者。

這也是王琰在讀博期間完成的第二篇Nature論文，上一篇發表于2019年。兩篇論文基于相同的材料開展研究，不同的是第一篇主要在美國完成，第二篇主要在英國和韓國完成。

2016年從北京大學取得碩士學位后，王琰輾轉美國和英國，并在讀博期間連發兩篇Nature，她收獲了哪些經歷？這期間又發生了什么？

王琰

3年兩篇Nature

“這兩篇Nature論文都是圍繞相同材料展開的研究。”王琰告訴《中國科學報》，“我們希望用這類材料做出新一代的半導體器件。”

王琰提及的是什么材料呢？

半導體最基本的材料是硅，純凈的硅又無法導電，但可以通過在硅中摻雜元素來改變分子結構。

已有研究發現，通過在硅晶體中摻入不同元素，可做成P型半導體（因少一個帶負電荷的電子也被稱為空穴型半導體）和N型半導體（因多一個自由電子也被稱電子型半導體）。電池片發電即是利用P型半導體與N型半導體的電位差來產生電流，這也是太陽能電池發電的原理。

當前，第三代半導體對器件要求越來越高，硅器件的尺寸也越來越小。然而，尺寸太小的硅器件就不那么“聽話”了。為此，王琰希望將硅器件做得更小的同時，還能對其進行有效的“開關”控制。

王琰介紹：新材料的研發能夠有效地讓器件在很小尺寸上也能比較“聽話”。問題的關鍵在于這種新型半導體并不能像硅一樣通過摻雜來調節性能，因此只能通過對于接觸電極的調節來完成不同性能的輸運。

王琰

3年前，王琰的研究對象是N型接觸電極，3年后則是P型接觸電極，兩者相輔相成，也具有上具有一定的延續性。

“在這兩篇Nature里，我們研究的主要材料二硫化鉬和二硒化鎢只有三層原子，很小很薄，也很容易被破壞。”王琰告訴《中國科學報》，“基于新型半導體材料的數字邏輯電路的運算，需要既有有效的N型接觸也需要P型接觸。”

談及研究何時才能投入應用，王琰表示，目前的材料要完全取代硅器材還不太可能，研究只是解決了單個器件的金屬和半導體界面問題，要實現大規模生產，尤其是產出高質量的薄膜還需要進一步研究探討。

在劍橋組建新實驗室

在北京大學深圳研究生院讀研期間，王琰在導師周航的引薦下認識了Manish Chhowalla。當時他是美國羅格斯大學材料科學與工程系教授。2016年碩士畢業后，王琰前往美國，跟隨Manish Chhowalla攻讀博士學位。

按照正常的學習計劃，王琰應該在2019年左右拿到博士學位。然而計劃趕不上變化。

2018年，Manish Chhowalla收到了母校劍橋大學的邀約，決定前往劍橋大學組建新的實驗室，繼續開展二維過渡金屬二鹵化物（TMDs）研究。

此時，王琰也面臨著抉擇——留在美國換導師，還是跟隨導師去英國。最終，在2018年9月，王琰與另一個博士后追隨Manish Chhowalla一起來到了劍橋大學。

來到劍橋大學第一天，王琰和Manish Chhowalla合影。

“初到劍橋，連最基本的燒杯用品都需要親自采購。”王琰回憶了來到劍橋大學組建實驗室的時光，“導師帶著我們兩個女孩，從零開始組建實驗室和研究團隊，如今實驗室的規模從3人發展到20多人。”

由于羅格斯大學的學分無法帶到劍橋大學，王琰不得不回到起點，按照劍橋大學的要求重新讀博。

王琰在劍橋大學提交畢業論文

在王琰準備第二篇Nature論文期間，新冠疫情在英國暴發，新建好的實驗室也被要求暫停一切工作。王琰不愿意就這樣中斷手頭的實驗，考慮到主要合作團隊在韓國，2020年4月王琰做了一個決定，去韓國先隔離，再繼續完成實驗。“論文中的原子面截圖就是在韓國切的。”她說。

半年后，王琰回到英國繼續完成剩下的實驗和論文，并在2021年2月將論文投遞出。王琰表示：“我們提供了一個比較不錯的解決方案，這也是最終打動Nature編審的關鍵。”

王琰在英國同步輻射中心做實驗室

回國，還是留英國？

王琰的家鄉在江蘇鹽城，那是一座有著“國際濕地城市”稱號的沿海小城。她本科就讀于江南大學，完成本科學業后南下深圳。

進入北京大學深圳研究生院后，王琰先后獲得北京大學含金量最高的獎學金——“五四獎學金”，北京大學“學術創新獎”和北京大學國家獎學金。2016年碩士研究生畢業時，王琰還榮獲“北京市優秀畢業研究生”稱號。2018年，王琰獲得劍橋大學的Trinity-Henry Barlow獎學金。

目前，王琰在劍橋大學已經獲得一份fellowship的工作，主要從事二維過渡金屬二硫化物低功耗器件的研究。

“這是一個3～5年的項目，最后不一定能留下來，但我也沒想好未來要去哪里。可能美國，可能新加坡，也有可能回國。”

王琰本科和碩士的專業都是微電子器件，去美國讀博時才轉到材料專業。雖然這些年一直在國外學習生活，但王琰時常關注著國內學術圈的動向。

比如她發現了一個比較讓她困惑的現象：“在國內工程材料研究領域，女性研究人員或教職工似乎比較少。而劍橋大學材料系有接近一半的教職人員是女性，我們現在的課題組男女比例也比較均衡。”

她還發現國內高校做研究的老師均面臨著發文章的壓力，而自己的科研訓練一直都是以搞清楚一個問題的本質為導向。她認為，科研不能以發文章為導向，甚至將其作為考核指標。“科研工作應該是搞清楚問題，而不是要完成一件事情。哪怕事與愿違，摸索出實驗失敗的原因也是一個有益的整個研究領域的好工作。”

對于未來，王琰心底有著自己的擔心，年邁的父母都在國內，但自己能否在國內找到一份滿意的工作，還屬未知。

最后，王琰告訴《中國科學報》，她作為大會組織人，將在2023年夏天在劍橋大學舉辦關于二維材料的國際會議（https://www.2dtmds2023.com），目前已經有上百名領域內專家確認參會，希望國內同行也能在疫情防控允許的情況下支持參會。

相關論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05134-w

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1052-3