【张江访谈录·科创50人】上海微系统所于庆凯：在石墨烯冲刺“王者”的路上

编者按

建设具有全球影响力的科创中心，需要国际一流科创人才的有力支撑。近年来，张江国家自主创新示范区作为科技创新中心建设的主战场，涌现出了一批战略科学家、领军企业家、科技青年才俊等做出卓越贡献的杰出人才。他们心怀“国之大者”，坚持“四个面向”，在关键核心技术攻关上披坚执锐，在高端产业发展中不断超越，在创新创业生态建设上善作善成。近日，上海科创办官方微信公众号“科创上海”推出“张江访谈录·科创50人”大型系列访谈，讲述他们勇于创新、善于创新的故事，激励更多有识之士共同推进科技创新中心建设。

于庆凯
中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员
坐标：上海长宁
领域：新材料

“当一个人说这事很难做，你就会有兴趣，对吧？就像小时候，老师在讲台上给大家讲题时，我们也不见听得很专注，但当老师说这道题很难不好做时，一下就来精神了，就是这种感觉。”

初识石墨烯
于庆凯就感受到了一种
别样的“怦然心动”
他是中国科学院
上海微系统与信息技术研究所研究员
也是上海石墨烯产业化技术平台
首席科学家

2004年，于庆凯在休斯顿大学攻读博士时，研究方向还是碳纳米管在衬底上定向生长的机制和方法。在这段时间里，英国曼彻斯特大学的两位科学家从石墨块体中剥离出了接近单层的石墨——石墨烯。这一外界看似平常的结果，却在于庆凯的科研领域掀起了巨浪，也让他转向了石墨烯生长和应用的科研方向，“当时，可以感到，石墨烯的背后很可能有一个巨大的未知世界”。

探寻石墨烯的未知世界

什么是石墨烯？“石墨烯具有超强的导热能力！”

于庆凯举了一个有趣的例子：几百万层的石墨烯堆在一起仅有一张纸这样薄，而把它放在冰块上时，它就像一把刀一样，只需20秒，一厘米厚的冰块就会被切成两半。“石墨烯超强的导热能力是其他材料所不具备的，现在很多5G手机都用它来散热。”

“在石墨烯众多的性质中，导热只是其中之一。”于庆凯意识到石墨烯的潜力巨大。于是在2018年，他辞去美国德克萨斯州立大学的终身教职，回国入职位于张江高新区长宁园的中国科学院上海微系统与信息技术研究所，从事石墨烯技术的研究、应用和产业化工作，成为科技创新领域中一名“国家队”成员。

加入中科院上海微系统所后，于庆凯带领团队进一步推动高质量石墨烯的生长及产业化。2020年，上海微系统所在宝山发布8英寸石墨烯晶圆小批量产，并将该材料销售到国内和国际市场。始终关注前沿新材料发展动态趋势的人，或许甚至还会记得当时媒体照片中那枚“像镜子一样的亮晶晶的圆盘”，以及8英寸石墨烯晶圆小批量产在沪发布后所引发的不小的轰动。

工作人员展示8英寸石墨烯晶圆。赖鑫琳摄

“石墨烯之所以被关注是有原因的，它的‘热’不是无根之木、无源之水。作为一种新材料，石墨烯很多美好的特性在基础科学上已经可以清晰地说明了。但石墨烯这些特别好的性质大多都是在理想环境下做出来的，比如，在实验室里、真空条件下、非常洁净的环境里。所以，石墨烯的难点在于怎样让它的这些性质在不被损害的前提下被使用，并实现规模化应用，这也是石墨烯真正成为‘新材料之王’的关键。”石墨烯的“热”与“难”形成了鲜明的反差，于庆凯认为“难”不是自己退却的理由，而恰恰是阻挡竞争者的门槛，他选择迎难而上。

正是因为有着这样一个清晰的判断，于庆凯带领团队聚焦于此进行深耕，并不断寻求突破：采用蓝宝石作为衬底成功制备出具有更强催化能力的铜镍（111）单晶薄膜，成功将外延生长石墨烯单晶的生长温度从1000℃降低到750℃，用此技术制备出的石墨烯单晶薄膜无褶皱，无颗粒污染，电学性能可以与高温条件下得到的石墨烯相媲美。这一突破也引起了多方面的关注，中科院、中电集团下属单位利用于庆凯团队的石墨烯晶圆开展攻关，突破了石墨烯太赫兹探测器件、高性能射频晶体管等电子器件的核心工艺。

新材料产业是战略性、基础性产业，也是高科技竞争的关键领域。这些前沿研究和成果转化，不仅有利于解决碳基电子器件实用化面临的技术障碍，更在加速推进上海乃至我国碳基集成电路技术的创新跨越发展。在传统硅基器件方面，我国和国外的代差造成多个“卡脖子”技术问题，但在碳基器件和集成电路方面，于庆凯领衔研发的石墨烯晶圆已经逐步走在世界前列，对未来我国碳基器件和集成电路发展将发挥重要作用。

实现经世致用的理想

在国外有了终身教职，为何会选择回到上海开展研究工作？

于庆凯说：“最为关键的驱动力是，我想把头脑中的技术和创造力，转变成利国利民的成果和产品。在美国，创新资本多青睐于生物医药、人工智能等领域，制造业和新材料在很大程度上被冷落，而在中国，创新的资本在各个前沿方向的分布较为均衡，新材料和化工领域也是发展热点。”

在不断推进石墨烯制备基础研究的同时，2021年于庆凯成立了产业化规模制备石墨烯粉体的公司——上海氢田新材料科技有限公司。过去几年，于庆凯主持的天然气裂解同步制备蓝绿氢和石墨烯取得重要进展。其团队发展了独有的液态金属催化裂解天然气同步制备氢气和石墨烯的技术路线，通过液态金属的超强催化性，可以将天然气中的氢和碳元素分别以氢气和石墨烯形式产出。该技术有多重优势，比如，天然气的高裂解效率、高纯度氢气、高质量低成本的石墨烯、无温室气体排放等。于庆凯也敏锐地发现，“除了石墨烯之外，在无温室气体排放的条件下产出高纯度氢气是该技术路线的另一个闪光点”。

如今，随着全球变暖成为人类可持续发展的重要威胁，碳中和目标已经成为世界各国的共识，并将在今后相当长的一段时间里成为全球政治与经济角力的重要战场。在碳中和的目标下，氢气作为重要的化工原料和新兴的清洁能源，其价值日益彰显。而未来氢气能否真正成为绿色能源，将很大程度上取决于氢气的绿色制备技术。正是在此背景下，于庆凯团队发展的液态金属催化裂解天然气同步制备氢气和石墨烯的技术路线，呈现出显著的产业价值和未来潜力。一些行业分析人士表示，预计该技术在未来几年很可能将对石墨烯领域、碳材料领域，以及绿色制氢行业产生重要影响。

作为一名深耕新材料、新能源的海归博士，于庆凯很看重国内良好的科研平台和创新环境。中科院上海微系统所成立于1928年，是从事基础和应用研究的多学科综合性研究所。90多年来，上海微系统所始终围绕学科前沿和国家战略需求，发挥对科学研究、高技术发展和国民经济建设的骨干引领作用，近些年，上海微系统所更在石墨烯冲刺“王者”的道路上扮演着重要角色。而上海也提供了肥沃的创新土壤，“上海不但是中国乃至国际优秀人才的汇聚之地，也是中国的金融中心和创新中心。在这里，我们可以比较容易地解决人才需求，并且受益于上海优异的金融投资规模推动创新。”

在于庆凯看来
上海是成就梦想之地
也是自己开展前沿探索的
理想之地

“石墨烯被誉为21世纪的‘新材料之王’，但我认为，如今的石墨烯更像是一位‘王储’，不断努力着要戴上王冠，它还需要大家的耐心。我们已经看到它美好的性质，也在不断尝试推进和迎接它真正出现‘杀手级’应用的那一天。科学发展需要一个漫长的积累的过程，然后可能会在某一个瞬间爆发，这既是科学发展的规律，也正是科学的魅力。”