燃起石墨“烯”望

汲曉奇

由于大氣對太陽光的散射作用，我們會看到天空呈現(xiàn)出蔚藍色：由于紙片各部分凸凹不同，形狀各異，從而導(dǎo)致高處下落過程中其表面各處的氣流速度不同，所以即使無風(fēng)時紙片下落的路線也會曲折多變。蔡金明對這些物理現(xiàn)象饒有興趣，但作為昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，他更想要做的是利用縝密與精確的實驗去探究深刻的物理機制，并推廣產(chǎn)學(xué)研的開發(fā)應(yīng)用。

蔡金明一直堅守著內(nèi)心對凝聚態(tài)物理的熱愛，在昆明理工大學(xué)這塊熱土上拓展著對石墨烯等低維納米材料的研究廣度和深度，對每一次實驗，每一種方法都力求做到精益求精，力求樹立自己在石墨烯研究領(lǐng)域的“旗幟”。

走近石墨烯之門

蔡金明一直從事低維納米材料，特別是石墨烯相關(guān)材料的制備與本征物性方面的研究，并取得了優(yōu)秀的成果。但這一切的興趣之源是一場學(xué)術(shù)報告。在北京大學(xué)物理學(xué)系學(xué)習(xí)期間，大三下學(xué)期，中科院物理研究所的高鴻鈞院士受邀去做關(guān)于納米材料的學(xué)術(shù)報告，一個美妙的微觀世界在他眼前展開，從此他的人生軌道轉(zhuǎn)向了納米科學(xué)研究。

“我聽完報告后就覺得很感興趣，我就向高老師請教有關(guān)納米材料的問題。”蔡金明說道。大四的時候，他就進入到高鴻鈞院士課題組做實驗，畢業(yè)后，他被免試保送到高老師課題組碩博連讀。

當他進入物理所讀研究生不久，石墨烯被兩位英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了，而高老師課題組也對這個領(lǐng)域十分關(guān)注，蔡金明就順理成章加入了石墨烯研究的行列。在獲得博士學(xué)位以后，2009年初蔡金明遠赴瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所做博士后，繼續(xù)從事石墨烯的研究。

2015年，蔡金明滿載歸來。身為云南人，他選擇了昆明理工大學(xué)作為回國后的事業(yè)開啟之地，不僅是因為家鄉(xiāng)情結(jié)，更重要的還是學(xué)校本身?！袄ッ骼砉ご髮W(xué)已經(jīng)有較好的材料學(xué)研究環(huán)境，已經(jīng)進入EsI排名1%，是學(xué)校的優(yōu)勢學(xué)科。另外學(xué)校又特地撥付1000萬給我用于實驗平臺建設(shè)。另外高老師也很支持我回到云南，建設(shè)西部。我也就有更多動力去進行推廣和發(fā)展石墨烯的相關(guān)研究。”

也許正是來自多方面的支持和鼓勵，讓蔡金明在每每遇到困難與艱辛?xí)r，雖有過猶豫但從不輕言放棄，他一直堅信一點：“做科研遇到困難是必然的，遇到困難不要氣餒，克服它就是了！”

執(zhí)著探究，尋找突破

“科研無坦途，我在研究中也一直遇到各種困難?！辈探鹈髡f道。但他表示既然做了選擇，就要去接受，就要去做改變。蔡金明不服輸?shù)男愿褡屗タ肆丝茖W(xué)上一個又一個難關(guān)，也獲得了一項又一項頂尖的科研成果。

眾所周知，由于石墨烯卓越的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，使它成為下一代半導(dǎo)體器件應(yīng)用材料的最佳候選，然而在這方面的應(yīng)用還面臨著諸多問題。先前石墨烯的制備和加工方法并不能很好地控制石墨烯微納結(jié)構(gòu)和邊界形貌，所以其能帶特性也不易控制，導(dǎo)致器件的重復(fù)性和穩(wěn)定性較低。“傳統(tǒng)制備石墨烯電子器件的方法多數(shù)是自上而下的方法，重復(fù)性和精確度都不高，因此我們就想從另一個方向，用自下而上的方法實現(xiàn)對石墨烯納米結(jié)構(gòu)的精確控制。我們根據(jù)想要得到的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，設(shè)計并合成了一些具有功能基團的有機分子作為前驅(qū)體，通過控制功能基團的結(jié)合，得到高分子結(jié)構(gòu)，再通過表面脫氫環(huán)化反應(yīng)，得到了我們想要的結(jié)構(gòu)原子級精準的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)它的細微結(jié)構(gòu)，我們就能做到對石墨烯電學(xué)性能的精準掌握和調(diào)控。”蔡金明解釋道。他和課題組憑借不懈努力，成功實現(xiàn)了這個實驗構(gòu)想，在世界上首次獲得一系列結(jié)構(gòu)原子級精準的石墨烯納米帶及相關(guān)材料，從而實現(xiàn)石墨烯材料能帶特性穩(wěn)定可調(diào)。

“要把石墨烯應(yīng)用到電子器件中，還要制備出半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管等電子器件的基本元件?！辈探鹈鹘榻B。因此，他及他的課題組將不同的石墨烯納米帶結(jié)合起來，得到石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)，經(jīng)檢測，該異質(zhì)結(jié)具有基本半導(dǎo)體器件PN結(jié)性能，這個突破大大推動了石墨烯在電子器件方面的應(yīng)用。

此外，蔡金明及其課題組還制備出結(jié)構(gòu)原子級精準、大面積均一、徑向尺寸小于一納米的石墨烯納米帶，在國際上首次證明了拉曼徑向呼吸模型，推動了拉曼光譜學(xué)的發(fā)展。同時，他還系統(tǒng)地研究了石墨烯納米結(jié)構(gòu)的生長機理，能帶結(jié)構(gòu)等。以上這些結(jié)果發(fā)表在Mture，Nature Nanotechnology，ACSNano等學(xué)術(shù)期刊上。

蔡金明回憶道：“從我進行對石墨烯的研究以來，經(jīng)歷了許多，也感悟到很多。既然我選擇了石墨烯這一領(lǐng)域，選擇了昆明理工大學(xué)，即使會遇見很多困難，我現(xiàn)在和未來也都會繼續(xù)堅持，不斷努力?！?/p>

堅守本心，勇往直前

對于蔡金明來說，或許科研道路上會存在一些誘惑和阻礙，但他永遠都會保持一顆對科研熱忱的初心。回國之后，蔡金明能明顯感覺到國內(nèi)外的教育及科研體系存在差異，但他卻很快適應(yīng)了新的工作環(huán)境。蔡金明提及：“其實我回國后一切都是從零開始的，但學(xué)校對我很支持，另外2015年成功申報‘千人計劃（青年項目），國家也給了我很大的支持，所以我希望不要辜負國家和學(xué)校的期望，有壓力才有動力，我目前就期望能夠傾盡所能快速地把高水平的實驗平臺建立起來，同時能將石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣出去。”

但零基礎(chǔ)并不能阻礙蔡金明的腳步，如今，在學(xué)校和蔡金明課題組各方面的努力下，昆明理工大學(xué)的材料學(xué)院大樓馬上就要竣工了，兩臺超高真空掃描探針顯微鏡也即將安裝，蔡金明和他的課題組也終于“找到了一個穩(wěn)定的、可以安心做學(xué)術(shù)的地方”。但在蔡金明看來，做學(xué)術(shù)發(fā)揮重要作用的應(yīng)該是“興趣”兩個字，這不僅體現(xiàn)在蔡金明的科研上，也在他的教學(xué)方式上體現(xiàn)得淋漓盡致。而其中一個重要標準就是“量體裁衣”。

蔡金明認為，每位學(xué)生都是千里馬，也都各具特色，但關(guān)鍵是要發(fā)揮出他們的優(yōu)勢，也就是所謂“量體裁衣”。在繁冗的工作之中，他總是留出很大一部分時間放在學(xué)生的學(xué)術(shù)指導(dǎo)上，盡力按照學(xué)生的興趣和知識構(gòu)架幫助他們尋找適合自身的研究方向和課題。他指出：“只有真的熱愛，才有可能在將來去忍受科研過程中的枯燥與寂寞”。

受到高鴻鈞院士和瑞士導(dǎo)師的影響，他從不將教師的本分局限于傳授知識。在他看來，一個人治學(xué)，首先要高瞻遠矚，胸懷大志：其次還要肯下功夫，堅定意志：最后定會漸入佳境，豁然開朗?！安徽撛趪鴥?nèi)還是瑞士期間，我的導(dǎo)師并沒有讓我覺得有高不可攀的距離感，他們對待每個人都很平等，這在很大程度上對我后來管理實驗室起了幫助?！辈探鹈餮a充道。

接下來兩年內(nèi)，他將主要致力于把實驗平臺搭建起來，組建一支一流的科研團隊，力爭為昆明理工大學(xué)的材料學(xué)科在國內(nèi)達到領(lǐng)先水平做出重要貢獻。同時，團隊已經(jīng)涉獵石墨烯復(fù)合材料和薄膜材料的應(yīng)用開發(fā)，他希望在突破石墨烯基礎(chǔ)研究的同時，還要使其應(yīng)用走向產(chǎn)業(yè)化，走進千家萬戶。