劉宇宏：探秘納米世界中的摩擦

本刊記者 李 麗

劉宇宏：探秘納米世界中的摩擦

本刊記者 李 麗

劉宇宏

摩擦無處不在。生活離不開摩擦，沒有地面與腳和車輪的摩擦，人類將無法行走，汽車也只能停在原地；在工業(yè)生產(chǎn)中，機器的運轉(zhuǎn)也同樣需要摩擦。不僅在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，高精尖的電子類、生物器件也總會出現(xiàn)“摩擦”的身影，比如智能機器人抓取物品，摩擦的性能就關(guān)系到其是否能成功抓起。與此同時，科學(xué)家也關(guān)注人體關(guān)節(jié)摩擦、牙齒摩擦、皮膚摩擦、甚至手術(shù)過程中的醫(yī)療器械摩擦。后來，他們又從生物體和植物體得到啟發(fā)，比如壁虎仿真研究。

一直以來，大自然中自然演化而形成的生物水基潤滑體系、納米制造領(lǐng)域中化學(xué)機械平坦化研究等方向吸引著劉宇宏作為科研工作者的所有好奇心和探索熱情，研究工作從表/界面結(jié)構(gòu)與特性出發(fā)，直至摩擦能量耗散的本質(zhì)科學(xué)問題的闡釋。她先后承擔(dān)“973”子課題、國家自然科學(xué)基金等科研項目16項；在ACS Applied Materials & Interfaces、Langmuir等期刊發(fā)表論文70余篇（SCI收錄60篇，SCI他引116次）；參編清華大學(xué)學(xué)術(shù)專著《界面科學(xué)與技術(shù)》和英文摩擦學(xué)百科全書，并獲中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎二等獎；曾榮獲中國分析測試協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎和中科院化學(xué)所青年科學(xué)獎。

再回清華園

劉宇宏是個地道的北京姑娘，從小生活在中關(guān)村一帶。在這片我國科教智力和人才資源最為密集的區(qū)域，坐落著以北京大學(xué)、清華大學(xué)為代表的高等院校近41所，還有以中國科學(xué)院、中國工程院所屬院所為代表的國家(市）科研院所206家，中關(guān)村也因此得名“中國的硅谷”?？萍挤諊鷿庥?、學(xué)術(shù)水平強勁，劉宇宏自小與陳景潤等老一輩科學(xué)家為鄰，耳濡目染，成長在一片科學(xué)研究的海洋中。

1996年，劉宇宏以優(yōu)異的成績順利考入清華大學(xué)化學(xué)系。一個女孩子為什么鐘愛理科？其實這與劉宇宏出生在一個科研世家不無關(guān)系，此外她男孩般的性格和思維也使她更擅長物理化學(xué)等學(xué)科。所以，讀理科、搞科研也自然是情理之中的事情。

4年的青蔥歲月轉(zhuǎn)瞬即逝，帶著對未知世界的好奇心，劉宇宏轉(zhuǎn)赴中國科學(xué)院化學(xué)研究所，成為分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點實驗室的一名直博生，師從白春禮院士和王琛研究員。也正是在讀博士期間，劉宇宏開始接觸了有關(guān)表/界面結(jié)構(gòu)與特性方面的研究。

2005年，劉宇宏踏上飛往歐洲大陸的航班，落戶比利時魯汶大學(xué)化學(xué)系，任客座研究人員。時隔半年后，她回到了昔日熟悉的母校清華大學(xué)，在精密儀器與機械學(xué)系擔(dān)任助理研究員。2012年，她轉(zhuǎn)赴機械工程系摩擦學(xué)國家重點實驗室，晉升為副研究員。

摩擦學(xué)國家重點實驗室成立于1988年。在發(fā)展之初，實驗室只是單一地在解決傳統(tǒng)的機械問題。隨著科技的蓬勃發(fā)展，其開始逐漸關(guān)注摩擦、磨損、潤滑、表面工程、微納制造、智能系統(tǒng)、微納光電器件等前沿領(lǐng)域。而這也對科研人才的學(xué)科背景提出了更多元化的要求，不僅是機械工程，材料、物理、化學(xué)、生物等也都成為有效助力科研工作的背景方向?！皩嶒炇业目蒲姓咴瓉碇黧w是機械工程背景，現(xiàn)在也會吸收物理、材料、化學(xué)、生物等專業(yè)背景的人才，”這種學(xué)科交叉的特色下，劉宇宏就是一名典型的多元化人才。

從化學(xué)到機械，不僅僅是專業(yè)方向的改變，更是思維方式的天壤跨越?；瘜W(xué)是典型的理科專業(yè)，科研從一個“想法”開始，通過大量查閱文獻(xiàn)，不斷嘗試以尋求新的突破；而機械是工科，一切都講求從實際需求出發(fā)，首要思考的是所研成果對日后的產(chǎn)業(yè)是否有推進(jìn)作用。劉宇宏坦言，這種思維的轉(zhuǎn)變是有一定困難的。

談及重回清華園，劉宇宏不禁感嘆道，“角色從學(xué)生變成了老師，感覺是不同的。”如今參加工作已有10年的劉宇宏，回憶起過往的歷程感慨頗多。還記得從剛進(jìn)入清華大學(xué)工作時的“白手起家”，第一個項目只有5萬元經(jīng)費和1名研究生，到現(xiàn)在成長為摩擦學(xué)國家重點實驗室副研究員、摩擦學(xué)研究所副所長，正是對科研的熱愛讓她才得以始終堅守。

解決表面粘附困擾

隨著納米器件制造技術(shù)的發(fā)展，納機電系統(tǒng)即將凸顯其領(lǐng)軍地位，從而帶領(lǐng)微機電系統(tǒng)向著更為微觀的領(lǐng)域發(fā)展。然而，由于納機電系統(tǒng)中器件尺寸進(jìn)一步縮小，尺度效應(yīng)愈發(fā)顯現(xiàn)——在器件運行過程中，相互接觸的部件很可能會由于表/界面粘附作用而吸附在一起，最終致使器件損壞。不光如此，運動器件表面的過度磨損也會導(dǎo)致器件失效，進(jìn)而嚴(yán)重限制器件的使用壽命。因此，如何改善器件的表面粘附特性和摩擦性能已經(jīng)成為納米器件中的關(guān)鍵問題。

通常，硅基器件表面的粘附力主要由界面的毛細(xì)力、范德華力和靜電力組成，只有深入分析界面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成與粘附特性和摩擦學(xué)性能之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的構(gòu)性關(guān)系才能更好地解決硅基器件潤滑問題。然而隨著當(dāng)今全球資源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出，人們越來越關(guān)注到油基潤滑帶來的負(fù)面影響，希望能找到合適的水基潤滑來替代它。與油基潤滑相比，水基潤滑具有資源廣闊、環(huán)保無污染及成本低廉等優(yōu)點，在降低摩擦磨損領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。為此，劉宇宏成功?gòu)筑了超疏水硅基界面并闡釋界面行為與水基潤滑特性間的相互；利用原子層沉積制備多種無機氧化物薄膜并研究其宏微觀摩擦學(xué)特性；建立生物大分子超滑體系并闡釋其化學(xué)作用機理。

在生物水基潤滑體系中，糖及其復(fù)合物扮演了非常重要的角色，其除了具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、控制代謝、細(xì)胞識別等功能，在不同的生物體系中還能起到關(guān)鍵的潤滑作用。由此見得，深入研究糖及其復(fù)合物的表界面結(jié)構(gòu)特性和潤滑機理，不僅對于探索摩擦和潤滑的本質(zhì)具有重大的科學(xué)意義，而且對于開發(fā)和研制綠色環(huán)保的生物潤滑劑也具有潛在的應(yīng)用價值。

然而，就目前的研究情況來看，大多數(shù)研究都集中在對糖及其復(fù)合物摩擦學(xué)特性的表象研究，在微觀領(lǐng)域的分子界面行為、物理化學(xué)作用機理等方面研究尚屬空白，特別是對于植物粘液還處在初步探索階段，距離了解其真正的潤滑機理還有較大的距離。

于是，劉宇宏就針對這一研究空白，申請并主持了國家自然科學(xué)基金-優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目“納米制造中的摩擦表/界面物理化學(xué)行為及控制”。她意在通過研究不同類型的糖及其復(fù)合物的表界面吸附結(jié)構(gòu)、組裝行為和特性，以及潤滑過程中分子的狀態(tài)等，解釋其界面分子潤滑機理，并建立可調(diào)控的生物介質(zhì)潤滑體系，進(jìn)而探索研制具有良好生物相容性的新型綠色生物潤滑劑。這種新型生物潤滑劑將有望應(yīng)用于生物體和自然界的水基潤滑領(lǐng)域，以解決目前油基潤滑的局限性和能源貧乏問題。

項目研究過程的創(chuàng)新之處在于從微觀角度研究磷脂、糖類分子及其衍生物的吸附狀態(tài)、排列結(jié)構(gòu)和與界面間的相互作用機制，從分子層面上揭示其潤滑機理，從而拓展界面分子吸附行為的研究范疇?！斑@對于豐富糖及其復(fù)合物摩擦潤滑體系具有重要意義，同時也能為生物潤滑介質(zhì)的超滑機理提供理論和實驗依據(jù)?！贝送?，項目對潤滑過程中分子取向、排列構(gòu)型及其結(jié)構(gòu)演變與潤滑特性的相互關(guān)系及調(diào)控的研究，將開辟實現(xiàn)生物介質(zhì)超滑的新思路和新途徑，為生物水基超滑體系的設(shè)計提供有效的方法和理論依據(jù)。

項目于2016年1月立項，目前進(jìn)展順利。據(jù)劉宇宏介紹，預(yù)期在2018年結(jié)題之際，能夠揭示生物介質(zhì)分子的吸附行為和組裝結(jié)構(gòu)以及潤滑分子與摩擦界面間的相互作用機制，闡釋生物潤滑介質(zhì)的超滑機理，并提出生物潤滑體系設(shè)計新思路；其次，可以建立分子取向、排列和結(jié)構(gòu)演變與宏/微觀潤滑特性等摩擦學(xué)性能間的相互關(guān)系，實現(xiàn)可調(diào)控的生物介質(zhì)的水基潤滑/超滑體系，為研發(fā)新型生物潤滑介質(zhì)提供參考依據(jù)。對于未來，劉宇宏表現(xiàn)得沉著冷靜，因為在她看來，科研不是一朝一夕之事，需要踏實地投入與積累。

團(tuán)隊合影

去除集成電路表面材料

如果說生物水基潤滑是研究界面潤滑摩擦的本質(zhì)基礎(chǔ)科學(xué)問題，那化學(xué)機械平坦化研究就是和工業(yè)界集成電路制造領(lǐng)域密切相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域研究。近年來，集成電路的持續(xù)高速發(fā)展引發(fā)人類社會的新變革，逐漸在國家安全、高端制造、網(wǎng)絡(luò)通訊和人民生活等重要領(lǐng)域起到關(guān)鍵支撐作用。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2013年全球電子信息產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)4萬億美元，已成為世界各國經(jīng)濟發(fā)展與技術(shù)競爭的制高點。其中芯片制造領(lǐng)域的化學(xué)機械平坦化是整個集成電路制造的5大關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，隨著特征尺寸進(jìn)入到20/14nm技術(shù)節(jié)點，化學(xué)機械拋光技術(shù)也從原有傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗的工藝性研究，進(jìn)入到納米尺度的超高精度制造基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。因此，這需針對界面原子分子的吸附行為和粘附特性及材料去除機制和原理進(jìn)行創(chuàng)新性研究。

“隨著集成電路制造的線寬不斷減小，與銅互連相匹配的介電質(zhì)薄膜的介電常數(shù)值將達(dá)到甚至低于2.0”，也就是說其極低的彈性模量僅為銅彈性模量的15～60分之一。如此一來，在表面平坦化加工時，機械應(yīng)力就極易造成材料界面剝離和極細(xì)互連線的損傷，現(xiàn)有技術(shù)已無法在超低應(yīng)力（＜0.01psi）條件下實現(xiàn)高效、大面積、均勻的材料去除。

因此，這需要研究新的高效、無損傷化學(xué)機械平坦化方法?！捌潢P(guān)鍵科學(xué)問題在于如何分別量化機械和化學(xué)兩者表面作用機制及兩者耦合的材料去除機制，并通過化學(xué)手段調(diào)控兩者達(dá)到平衡，實現(xiàn)超低下壓力條件下材料的快速均勻去除，”劉宇宏娓娓道來。殊不知，機械和化學(xué)這兩者作用機制都與表面化學(xué)物質(zhì)吸附行為、顆粒運動和拋光墊的機械作用等密切相關(guān)，鑒于此，劉宇宏首先建立了無磨?；瘜W(xué)機械拋光液體；其次，創(chuàng)新性地提出利用陽極氧化鋁模板法制備柔性納米刷狀結(jié)構(gòu)并揭示其材料去除機理；最后定量描述化學(xué)機械平坦化過程中化學(xué)機械耦合機制，并繪制材料去除機制圖。

科研總是一個問題接著又一個問題。針對20/14nm集成電路晶圓級三維集成制造，需要解決晶圓減薄所面臨的跨尺度混雜材料物理化學(xué)性能的巨大差異、復(fù)雜界面上差異性減薄的損傷污染等科學(xué)問題，劉宇宏又申請并主持了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）課題“異質(zhì)微結(jié)構(gòu)表面差異性同步去除與晶圓減薄新原理”。

“厚度為20μm及以下超薄芯片減薄加工所面臨的損傷率高，以及電鍍后表面銅去除要求同時滿足超高速率、低缺陷和低碟形凹陷等技術(shù)挑戰(zhàn)，”劉宇宏提出了納米顆粒定向作用以實現(xiàn)混雜材料表面高效定向去除的思路，以探索20μm以下超薄晶圓減薄加工中應(yīng)力集中與殘余應(yīng)力形成機制，表面缺陷、邊緣效應(yīng)和整體損傷的產(chǎn)生原因和控制方法，從而在分子層面上實現(xiàn)對差異性減薄設(shè)計；同時她還將探索表/界面微觀缺陷的產(chǎn)生和擴展規(guī)律等。該項目目前尚在研究之中。

在職場上像男性一樣搏擊的同時，社會賦予女性更多的是家庭責(zé)任，因而身為一名女性科研者是極為艱難而值得尊敬的。當(dāng)下，劉宇宏也是為數(shù)不多肯踏下心來做科研的人。她說，科研需要的是內(nèi)心本源的驅(qū)動，而這種“本源”是來自對科研的真正熱愛和對探索未知世界的好奇心，并且要能做到專心致志，持之以恒?？蒲猩系睦щy對于劉宇宏來說從不成為困難，因為在她看來，科研本身就是探索未知的過程，而未知就一定伴隨著不確定性和艱難困苦。未來，她仍然會在科研的道路上繼續(xù)探尋下去……