材料科學(xué)探路者

徐芳芳

百萬(wàn)年來(lái)，人類(lèi)相繼走過(guò)舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代……直到20世紀(jì)50年代，半導(dǎo)體材料開(kāi)始應(yīng)用和發(fā)展，人類(lèi)進(jìn)入信息時(shí)代。人們逐漸意識(shí)到，先進(jìn)材料對(duì)于高技術(shù)發(fā)展的重要作用，于是材料科學(xué)就此誕生。

2015年，張翼入選“青年千人計(jì)劃”，回到南京大學(xué)物理學(xué)院工作，并在材料科學(xué)領(lǐng)域不斷開(kāi)拓創(chuàng)新。他說(shuō)：“材料科學(xué)走在人類(lèi)最前面，我們要時(shí)刻保持靈敏的嗅覺(jué)，引領(lǐng)材料的發(fā)展方向，我就是一個(gè)探路者。”

知之者不如好之者

中學(xué)時(shí)期，張翼在物理學(xué)方面的天分使他脫穎而出。在高中物理老師的指導(dǎo)和鼓勵(lì)下，他對(duì)物理投入的學(xué)習(xí)時(shí)間越來(lái)越多，興趣也越來(lái)越濃厚。他說(shuō)：“每個(gè)人都有自己的興趣，一旦發(fā)掘出來(lái)，經(jīng)過(guò)慢慢培養(yǎng)，興趣便會(huì)放大?！?/p>

在興趣的驅(qū)使下，張翼在物理學(xué)上越走越遠(yuǎn)。他參加了高中物理競(jìng)賽，一路過(guò)關(guān)斬將，最終獲得第18屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽決賽一等獎(jiǎng)，并被保送到北大物理系。

大學(xué)時(shí)光總是匆匆而逝，臨近畢業(yè)時(shí)，張翼也曾感到迷茫。盡管一如既往地?zé)釔?ài)物理，但他不確定是否應(yīng)該選擇科研這條道路?！爱厴I(yè)時(shí)，班主任針對(duì)我們的性格特點(diǎn)，在畢業(yè)紀(jì)念冊(cè)上為每個(gè)人寫(xiě)了一句寄語(yǔ)，他希望我成為班里的第一名院士。”

這句寄語(yǔ)張翼一直銘記在心，老師的期望使他對(duì)物理科學(xué)研究的追求更加堅(jiān)定。2006年，大學(xué)畢業(yè)的張翼在中國(guó)科學(xué)院物理研究所繼續(xù)深造。5年時(shí)間里，他相繼獲得中國(guó)科學(xué)院物理研究所所長(zhǎng)表彰獎(jiǎng)、優(yōu)秀獎(jiǎng)，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。

張翼優(yōu)秀的科研才能在博士期間便展現(xiàn)出來(lái)。他首次觀測(cè)到了拓?fù)銪i2Se2薄膜在厚度小于6層時(shí)，由于上下表面態(tài)耦合而產(chǎn)生的能隙打開(kāi)現(xiàn)象，并對(duì)該現(xiàn)象給出了清晰的物理圖像和理論解釋。此項(xiàng)工作以第一作者發(fā)表在Nature Physics上，使人們對(duì)拓?fù)浣^緣體和其相關(guān)物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解前進(jìn)了一大步，在國(guó)際上引起巨大反響，并入選2010年“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文”。

博士畢業(yè)后，他作為美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和SLAC國(guó)家加速實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合博士后在伯克利實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源（ALS）從事博士后研究。

2010年12月，我國(guó)“青年千人計(jì)劃”正式啟動(dòng)，這為張翼回國(guó)提供了很好的平臺(tái)。2014年5月，南京大學(xué)物理學(xué)院對(duì)張翼進(jìn)行了面試。專(zhuān)家一致認(rèn)為，他是一位接受過(guò)優(yōu)秀科學(xué)訓(xùn)練和具有獨(dú)特創(chuàng)造力的年輕科學(xué)家，是拓?fù)淞孔游镔|(zhì)和低維材料研究領(lǐng)域年輕學(xué)者中的佼佼者，完全具備成為該領(lǐng)域?qū)W術(shù)帶頭人的成長(zhǎng)潛力。

回國(guó)后，張翼一直籌備著新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)及設(shè)計(jì)、購(gòu)置和搭建所需要的儀器設(shè)備與原材料，進(jìn)行初步的安裝與調(diào)試。“實(shí)驗(yàn)設(shè)備一旦安裝完成后，我就可以圍繞這些材料繼續(xù)做研究。我一直保持著這方面的關(guān)注，經(jīng)常與做理論研究的學(xué)者交流討論，看是否有新的材料出現(xiàn)。”

行走在材料科學(xué)前沿

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展極大地改善和影響了人類(lèi)生活的方方面面，并成為第三次科技革命的最典型代表之一。隨著器件尺寸的不斷縮小和集成度的不斷提高，傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)早已面臨著高功耗、低效率、量子尺寸限制等種種問(wèn)題。人們迫切需要全新的理念來(lái)對(duì)傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)進(jìn)行革新。

“自從石墨烯研制出來(lái)，很多二維材料也出來(lái)了。人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)物質(zhì)從三維降低到二維或者更低的維度時(shí)，其電子結(jié)構(gòu)等物理特性會(huì)發(fā)生極大的變化并產(chǎn)生許多非常有趣的物理現(xiàn)象。它有著許多應(yīng)用前景，在研究方面也延展出一個(gè)新的方向，即通過(guò)研究新材料的物理性質(zhì)，看看有沒(méi)有可能在電子學(xué)或者其他可以想象的器件上有應(yīng)用前景，而以前只是將各種材料組成單晶，或者探索不同的新材料。這是一個(gè)非?；A(chǔ)和前沿的課題?！?/p>

研究新型量子材料在量子限制效應(yīng)下的新奇物理現(xiàn)象，探索和控制多種量子材料與低維材料組合后的新結(jié)構(gòu)、新物態(tài)與新功能是張翼的主要研究興趣。他主要運(yùn)用分子束外延技術(shù)和角分辨光電子譜技術(shù)，再結(jié)合其他技術(shù)和測(cè)量手段。

“分子束外延技術(shù)的歷史比較悠久，它的一個(gè)重要特點(diǎn)是在超高真空環(huán)境下進(jìn)行，相對(duì)于其他材料生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)說(shuō)，得到樣品的純凈度和質(zhì)量是最高的。而角分辨光電子譜技術(shù)的最基本原理就是愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)，光打到物質(zhì)上，就會(huì)激發(fā)出電子。打出電子的數(shù)量、飛行角度和速度包含了它的強(qiáng)度、動(dòng)量及能量等豐富的信息。因?yàn)槿肷涔庾拥哪芰亢推駹顟B(tài)都是可以確定的，電子出來(lái)的狀態(tài)也可以通過(guò)能量分析器來(lái)確定，通過(guò)量子力學(xué)復(fù)雜的公式計(jì)算后就可以反推出電子在材料內(nèi)部的具體狀態(tài)，以及電子在材料內(nèi)部與其他粒子的相互作用等信息，這就是所謂的材料電子結(jié)構(gòu)?！?/p>

博士后期間，張翼在美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源的角分辨光電子譜線站上獨(dú)立設(shè)計(jì)并搭建了一套原位的分子束外延生長(zhǎng)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，他首次成功制備了大面積高質(zhì)量二維過(guò)渡金屬硫化物MoSe2單晶薄膜，薄膜的高質(zhì)量確保了他能夠通過(guò)原位的角分辨光電子譜得到非常清晰和明確的電子結(jié)構(gòu)，并給出了能帶結(jié)構(gòu)、帶隙類(lèi)型隨著層厚變化而演化的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。高質(zhì)量單層MoSe2的制備為將來(lái)進(jìn)一步的光學(xué)特性研究、輸運(yùn)性質(zhì)研究和器件制備提供了材料基礎(chǔ)。該成果以第一作者發(fā)表在2014年的Nature Nanotechnology上。

此外，通過(guò)分子束外延技術(shù)，張翼首次實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浒虢饘貼a3Bi單晶薄膜的生長(zhǎng)。該薄膜的成功制備為將來(lái)通過(guò)原位覆蓋惰性保護(hù)層，從而實(shí)現(xiàn)樣品在大氣環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)移和測(cè)量提供了可能和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，同時(shí)也為相應(yīng)的薄膜器件制備提供了材料基礎(chǔ)。該成果以第一作者發(fā)表在2014年的Applied Physics Letters上。

在創(chuàng)新路上永不停步

開(kāi)展新材料的低維可控生長(zhǎng)并結(jié)合原位物性測(cè)量研究，不僅需要對(duì)分子束外延、角分辨光電子譜、掃描探針顯微鏡等大型聯(lián)合儀器設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建，還要具備相關(guān)大型儀器高水平使用、維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)和能力。

張翼總結(jié)道：“從事科研，我覺(jué)得最重要的是不斷學(xué)習(xí)的能力，不斷地接受新事物。從事我們這行研究，學(xué)的東西很多很雜，所以有需要就得學(xué)，這是最基本的技能?！?/p>

除了在技能上不斷學(xué)習(xí)，張翼認(rèn)為，一個(gè)合格的科研工作者必須要有足夠的好奇心?！案鱾€(gè)方面的知識(shí)都要弄明白，強(qiáng)烈的求知欲才能夠支持你一直做下去。”這也是他對(duì)團(tuán)隊(duì)成員的要求之一，“人類(lèi)最前沿的探索走到了哪一步？我還能往前走多遠(yuǎn)？如果沒(méi)有這樣的想法，進(jìn)入研究組很難做出很大的貢獻(xiàn)?！?/p>

雖然回國(guó)不久，張翼早已對(duì)未來(lái)做好了規(guī)劃。他告訴記者，開(kāi)發(fā)新材料、新結(jié)構(gòu)，研究和理解材料的物性并對(duì)其進(jìn)行精細(xì)控制，制備基于新穎物理原理的電子、光電子、自旋電子及新能源器件，是我國(guó)突破高技術(shù)瓶頸、趕超發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)鍵。

“我的研究思路是通過(guò)發(fā)展一套具有國(guó)際頂尖水平的分子束外延技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的具有特殊結(jié)構(gòu)的量子材料、低維和納米材料的精細(xì)可控生長(zhǎng)；然后利用高水平的角分辨光電子譜、掃描探針顯微鏡、電輸運(yùn)測(cè)量等一系列先進(jìn)的原位測(cè)量手段，來(lái)對(duì)樣品的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、電子和自旋結(jié)構(gòu)等一些物理特性進(jìn)行探測(cè)和研究。通過(guò)對(duì)新材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、物理現(xiàn)象和機(jī)制的理解和掌握，反過(guò)來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展相關(guān)新材料的生長(zhǎng)制備技術(shù)。進(jìn)而期望實(shí)現(xiàn)一系列科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)和技術(shù)上的重大突破，開(kāi)發(fā)出一系列全新的量子材料，并為國(guó)家打破國(guó)外在半導(dǎo)體工業(yè)的壟斷地位、在相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的突破奠定堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)?！?/p>

新型材料未來(lái)的發(fā)展方向如何？張翼也無(wú)法給出答案，他說(shuō)：“半導(dǎo)體出現(xiàn)以前，誰(shuí)也想不到半導(dǎo)體會(huì)有這么大的發(fā)展。哪一個(gè)未來(lái)可能成為革命性的材料，誰(shuí)也不能確定。這是一個(gè)充滿未知的科學(xué)領(lǐng)域，你完全不知道會(huì)發(fā)現(xiàn)什么，只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，重要的實(shí)驗(yàn)往往都是意料之外的發(fā)現(xiàn)?！睉{借著深厚的實(shí)驗(yàn)功底與實(shí)驗(yàn)技能，獨(dú)到的觀點(diǎn)和想法，張翼在未來(lái)將創(chuàng)造無(wú)限可能。endprint