楊玉超：極限挑戰(zhàn)

杜月嬌

見到楊玉超時，這位第十一批“千人計(jì)劃”青年人才入選者來北京大學(xué)微納電子學(xué)研究院任職還不到3個月。這位北大“新人”很忙，每天幾乎都要工作十四五個小時，就連周末也不例外。乍被問到業(yè)余愛好，他有些茫然，為了讓回國后的研究工作盡快步入正軌，似乎還沒能來得及有“業(yè)余”。“有了的話，我再告訴你?！弊罱K，他給了這樣一個可愛的答案。

跟著興趣走

“走上微納電子之路沒有什么特別的原因，就是在研究過程中興趣的自然轉(zhuǎn)移?！睆谋究频窖芯可?，楊玉超原本的選擇一直是材料學(xué)。用他的話說，雖然材料是器件的組成部分，但他開始的研究是比較偏基礎(chǔ)的。轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在他博士二年級那一年。

當(dāng)時，楊玉超還在鉆研氧化鋅薄膜的結(jié)構(gòu)性能調(diào)控，期間，完成了一個“非常粗糙、非常簡單”的器件模型。結(jié)果在測量器件時得到了一些“奇怪”的現(xiàn)象，他不知道該怎么解釋這些現(xiàn)象?！拔蚁胝{(diào)研一下，然后發(fā)現(xiàn)那時國際上開始關(guān)注一種叫做阻變存儲器（RRAM）的器件?！?/p>

2008年前后，阻變存儲器還是個“小鮮肉”，即使到現(xiàn)在，它也是一個非常有“前途”的器件?！按蠹叶贾?，過去的50年里，計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展速度沿循摩爾定律，非?？?，但是近些年來，由于器件到小尺度后出現(xiàn)的各種物理和工藝上的限制，計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展遭遇了瓶頸，人們開始擔(dān)心摩爾定律無法繼續(xù)下去。其中一個重要的限制就是存儲器?！睏钣癯忉尩?，阻變存儲器，又稱憶阻器，是延續(xù)摩爾定律生命力的“法寶”。國際大型半導(dǎo)體制造商如惠普、三星、美光等都把它放在戰(zhàn)略高度。

楊玉超就這么被RRAM器件吸引了。那時，他所在的清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室尚未開展這方面的研究，他需要迅速學(xué)習(xí)大量的新知識，摸索RRAM的制作工藝，設(shè)計(jì)合適的測試方法?？删退阍匐y，他也甘之如飴。2009年，楊玉超在Nano Letters上發(fā)表了他個人在憶阻器領(lǐng)域的第一篇論文。文章里報道了楊玉超采用透射電子顯微鏡（TEM）手段直接觀察到的器件在阻變過程中形成的納米尺度導(dǎo)電細(xì)絲，并且他還進(jìn)一步通過能譜分析和變溫電輸運(yùn)等測量方法證明了該導(dǎo)電細(xì)絲的組成為金屬態(tài)的銀原子，從而從實(shí)驗(yàn)上直接證實(shí)了RRAM器件實(shí)現(xiàn)存儲功能的金屬導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)制。文章發(fā)表后不久就被《自然》出版集團(tuán)旗下的雜志作為科研亮點(diǎn)報道，后又獲得2010年中國真空學(xué)會博士優(yōu)秀論文獎?；萜展驹陔S后發(fā)表于《先進(jìn)材料》上的文章中高度評價這個中國年輕人的工作為領(lǐng)域內(nèi)的“重要進(jìn)展”。迄今為止，這項(xiàng)工作共計(jì)被SCI他引354次，并入選ESI高被引論文。

那時的他，以學(xué)生身份成為1項(xiàng)國家自然科學(xué)二等獎和1項(xiàng)教育部自然科學(xué)一等獎的骨干獲獎?wù)?，還主持了1項(xiàng)教育部“博士生訪學(xué)計(jì)劃”同步輻射研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目。那時的他，是材料系年年獲得獎學(xué)金的優(yōu)秀研究生，是清華大學(xué)的學(xué)術(shù)新秀，卻依然向往著最前沿的研究。2010年，他博士四年級未完，就開始聯(lián)系世界上在RRAM領(lǐng)域幾家著名的實(shí)驗(yàn)室，為翌年畢業(yè)后出國留學(xué)做準(zhǔn)備。幸運(yùn)的是，郵件發(fā)出去后不久，美國密歇根大學(xué)安娜堡分校電子工程與計(jì)算機(jī)系的實(shí)驗(yàn)室就給了他回復(fù)。“郵件說晚上給我打電話，討論一下各種選項(xiàng)。我當(dāng)時還不太理解，后來電話溝通以后才知道對方教授有兩個建議的方案，一是馬上過去開始研究，等正式畢業(yè)答辯時再回來，他們會承擔(dān)路費(fèi)；二是等畢業(yè)以后再過去?！?/p>

密歇根方面希望他能選擇前者，因?yàn)槊苄髮W(xué)的實(shí)驗(yàn)室正急于在RRAM器件機(jī)制方面取得突破，而楊玉超的工作令他們極感興趣。最終楊玉超提前博士畢業(yè)開啟了5年的留學(xué)生涯。

要做就要做得透徹

楊玉超在清華的工作已經(jīng)直接觀察到了RRAM器件中的納米尺度導(dǎo)電細(xì)絲，但是具體到器件內(nèi)含的動力學(xué)機(jī)制，他認(rèn)為理解得還不夠透徹?！爸挥星宄亓私猬F(xiàn)象背后蘊(yùn)含的科學(xué)原理，才能更有針對性地優(yōu)化性能。這對器件研發(fā)至關(guān)重要?！睏钣癯f。

在之前的工作中，楊玉超對導(dǎo)電細(xì)絲在RRAM中的關(guān)鍵作用有了一定的認(rèn)知，但是，“機(jī)制”兩個字背后，包含著導(dǎo)電細(xì)絲生長的諸多動力學(xué)因素，如驅(qū)動力、形核過程、生長方向、幾何形貌等。尤其當(dāng)器件只有十幾二十納米時，導(dǎo)電細(xì)絲的尺度甚至只有幾個納米?！耙桓^發(fā)絲是幾十微米，導(dǎo)電細(xì)絲尺度只有頭發(fā)絲的萬分之一。在這樣一個微小尺度上去原位地觀測導(dǎo)電細(xì)絲的動態(tài)工作過程，對實(shí)驗(yàn)造成了極高的難度，需要一個巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，并且堅(jiān)持不懈做下去才能找出‘真相?！?/p>

楊玉超的“設(shè)計(jì)”，是將基于氧化物和非晶硅的RRAM器件放在一個厚度僅為15納米、直徑3毫米的氮化硅基片上?！盎嫌行〉挠^察窗口，厚度只有15納米，要想看清樣品里面發(fā)生的原子尺度的結(jié)構(gòu)變化，就必須利用電子束穿透樣品?！痹摲桨笜O具創(chuàng)造性，既能滿足電學(xué)測量需求，又可以完成對導(dǎo)電細(xì)絲的TEM觀察，而且不需要經(jīng)過破壞性的樣品制備過程，可以最大程度地保持器件真實(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)然了，完成這項(xiàng)工作最重要的還要取決于實(shí)驗(yàn)者的“手藝”?！霸?5納米基片上做器件，需要經(jīng)過很多步的微加工工藝，任何一個步驟出現(xiàn)失誤都可能輕而易舉地讓之前所有努力付之東流。”楊玉超感慨著，仿佛又回到了那段日子?；?，太容易損壞，更困難的是基片薄到一定程度就會失去剛性，變形起皺。等到器件下一步工藝時再對這樣的基片進(jìn)行電子束曝光，把不同層圖形之間對準(zhǔn)，就更難了。

“比一般的鑷子尖兒大不了太多?！睏钣癯忉尅爸睆?毫米”的概念。那么多難題在一個“鑷子尖兒”上操作，問題層出不窮。每次發(fā)現(xiàn)問題之后，他都要重新找一個思路去解決，經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室熬到凌晨四五點(diǎn)鐘。就這么披星戴月過關(guān)斬將地做了大約1年，通過利用TEM觀察比較導(dǎo)電細(xì)絲的動態(tài)變化，終于切切實(shí)實(shí)地觀察到了兩種不同的導(dǎo)電細(xì)絲生長動力學(xué)模式，擴(kuò)充了傳統(tǒng)固體電化學(xué)理論對于導(dǎo)電細(xì)絲生長動力學(xué)的認(rèn)識?！半x子遷移率是導(dǎo)電細(xì)絲生長方向的決定性因素”，結(jié)論出來，楊玉超很興奮。保險起見，他又通過原位透射電鏡實(shí)時記錄了電阻轉(zhuǎn)變過程中導(dǎo)電細(xì)絲生長的動力學(xué)過程，與之前的觀測并無二致。endprint

這是他在美國的第一項(xiàng)具有“國際首次”性質(zhì)的工作。2012年，Nature Communications首先報道了這一工作，隨后，Nature Nanotechnology的綜述文章中贊揚(yáng)該工作“extremely valuable（極有價值）”。該工作同樣也入選ESI高被引論文，短短幾年中，僅SCI引用就達(dá)到了192次。

歷盡波折的成果，給了楊玉超一種難以言喻的滿足感。但沒多久，這個愛思考的男人又開始轉(zhuǎn)動腦筋了?！皩?dǎo)電細(xì)絲并不是尺度最小的基本單元，細(xì)絲里面還有更小的金屬顆粒排列著?！币私鈱?dǎo)電細(xì)絲的動力學(xué)過程就需要從更小的尺度上理解金屬顆粒是怎樣運(yùn)動的。他覺得很奇怪：顆粒在液體和氣體中能夠移動，是因?yàn)橐后w和氣體里有空間，顆粒周圍的阻力沒有那么大?？墒枪腆w是一個很致密的材料，怎么可能“允許”顆粒自由移動？然而，原位電鏡不會騙人，他的確看到了這個超乎想象的現(xiàn)象，而且不管是RRAM器件中普遍采用的銀、銅等活性金屬，還是包括鉑在內(nèi)的傳統(tǒng)意義上的惰性金屬，在受電場驅(qū)動時竟然都能在固體中發(fā)生場致遷移。通過更進(jìn)一步的深入研究他恍然大悟：原來顆粒并不是整體移動的，而是通過電化學(xué)氧化還原反應(yīng)經(jīng)歷了金屬原子氧化成為離子、單個離子在電場作用下遷移、到達(dá)新位置重新還原成為原子的一系列動力學(xué)過程。

“這是一種普遍行為！”楊玉超的眼睛亮了。在進(jìn)一步的研究中，他從根本上解釋了迄今為止實(shí)驗(yàn)中觀察到的所有不同導(dǎo)電細(xì)絲生長模式，從而在同一理論框架內(nèi)完整地闡述了金屬導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)制。2014年，這項(xiàng)工作再一次通過Nature Communications廣為人知，并迅速地被美國自然科學(xué)基金官方網(wǎng)站、BBC News、ScienceDaily、Phys.org、Yahoo News等20余家網(wǎng)站相繼報道，被國內(nèi)外同行認(rèn)為對發(fā)展基于納離子學(xué)的各類新型信息、能源器件等具有重大意義。

寫滿創(chuàng)造性的“科研狂人”

“More Moore，More Than Moore”，看上去像繞口令，可楊玉超說這就是微納電子領(lǐng)域未來的兩個發(fā)展趨勢。

“Moore”指的是摩爾定律中的摩爾。所謂“More Moore”，就是要將摩爾定律支配下的計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體事業(yè)做到更極致?！斑@些年，晶體管從40納米級發(fā)展到28納米、14納米，直到現(xiàn)在的7納米。哪怕每次只能前進(jìn)小一點(diǎn)點(diǎn)，也要把這‘一點(diǎn)點(diǎn)做出來。”而“More Than Moore”則意味著完全換一條路走，“比摩爾定律更高級別”，他透露，這與類腦計(jì)算有關(guān)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，處理器和存儲器是分離的?！懊看翁幚頂?shù)據(jù)，都要從存儲器中讀取信息，處理完之后再存回去。”在楊玉超看來，這是一種非常低效的方式，卻被運(yùn)用了幾十年?！坝?jì)算機(jī)看似強(qiáng)大，但是人腦能輕而易舉實(shí)現(xiàn)的東西，計(jì)算機(jī)往往實(shí)現(xiàn)不了。大腦才是計(jì)算功能最強(qiáng)的硬件。而現(xiàn)在要用憶阻器去實(shí)現(xiàn)一種新的計(jì)算方式，它可以將數(shù)據(jù)處理器和存儲器完美地融合在一起。這就是類腦計(jì)算?！?/p>

說起來，這也是一種模擬大腦的仿生信息處理方式，已經(jīng)成為憶阻器領(lǐng)域中新的研究熱點(diǎn)。近一兩年，歐盟、美國、中國等都相繼推出了不同的“腦計(jì)劃”，而楊玉超專注多年的憶阻器就是其中最關(guān)鍵的硬件?！皩ξ襾碚f這是一個非常振奮人心的領(lǐng)域。”在腦計(jì)劃席卷全球的聲勢下，他看到的都是機(jī)遇，不僅是個人科研生涯，更關(guān)系到一個國家未來的競爭力。

“在國外時，我們對國內(nèi)極為關(guān)注，尤其國內(nèi)的科研事業(yè)發(fā)展日新月異。很多人都迫不及待想要尋找機(jī)會回國，真正參與進(jìn)來?！睏钣癯惨粯?，他向往這種家、國雙向的歸屬感，希望能夠在中國實(shí)現(xiàn)這些新的想法，做出一些事情。

采訪中，他多次提到類腦計(jì)算。這也是他計(jì)劃內(nèi)的主干方向。要真正實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)算，硬件研發(fā)是重點(diǎn)。憶阻器的性能達(dá)到什么程度才能滿足神經(jīng)形態(tài)器件的要求，以及怎樣把眾多的器件單元有機(jī)地整合在一起實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能是類腦計(jì)算研究必須解決的關(guān)鍵問題?！白罱氲谋容^多，產(chǎn)生了一些可行方案，正在實(shí)施?！彼f。

實(shí)際上，這也并不是他第一次涉足器件研發(fā)。在美國時，他就開發(fā)了以雙層氧化鉭薄膜為存儲介質(zhì)的RRAM，通過兩層氧化鉭薄膜中氧空位濃度的調(diào)控在單個RRAM器件中實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)型電阻轉(zhuǎn)變。采用氧化物異質(zhì)結(jié)取代通常情況下的單層存儲介質(zhì)作為RRAM的存儲材料，也是他的創(chuàng)意，借此，他一舉解決了良好的疲勞特性和非線性低阻態(tài)不可兼得的問題。數(shù)次嘗試后，他開始向更新的二維材料出手了，這一次，他看準(zhǔn)的是材料界的新寵石墨烯。讓石墨烯代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬作為RRAM的電極材料會怎樣？他發(fā)表在2014年《先進(jìn)材料》上的一篇文章說出了答案：利用石墨烯電極在弱氧化環(huán)境中鈍化之后的閾值轉(zhuǎn)變特性成功地在該類器件中獲得了非線性低阻態(tài)，從而將選擇器件的開關(guān)特性整合到了RRAM電極材料中，提高了整體的集成度。《先進(jìn)材料》審稿人認(rèn)為，這一做法非常具有“創(chuàng)造性”。

對楊玉超來說，研究器件是必然的，因?yàn)樯羁痰臋C(jī)制研究必然會走向應(yīng)用。未來的工作中，他也會在鉆研基于氧化物的憶阻器工作原理基礎(chǔ)上，把基于憶阻器的神經(jīng)形態(tài)器件和類腦硬件做好。至于做到什么程度，他只說了四個字“精益求精”。

不管是憶阻器，還是類腦計(jì)算，“研齡”都還不大，“很多人可能不知道怎么去做，這就需要交流合作，才能真正深入下去?！彼矚g與國內(nèi)外學(xué)術(shù)界交流，也希望能將自己多年來積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)傳遞給自己的學(xué)生們，讓他們少走彎路?！拔曳浅９膭钏麄儊砀矣懻摗！彼嬖V學(xué)生，一定要對科研有好奇心，要喜歡想，喜歡更深入地反復(fù)揣摩那些問題，才能導(dǎo)致更新的發(fā)現(xiàn)。更重要的是，要有科研熱情。

“你要對科研產(chǎn)生激動的感覺，認(rèn)為解決問題非常有意思，才會有不顧一切的自我驅(qū)動力，愿意全身心投入進(jìn)去?！辈唤?jīng)意之中，他描畫出了自己在科研中的形象。正如他對“前沿”的定義，就是“現(xiàn)有的東西雖然已經(jīng)很好，但還可以更好，永遠(yuǎn)在挑戰(zhàn)一個新的極限”，這位“科研狂人”胸懷中實(shí)在是澎湃著一顆躍躍欲試的心。endprint