致力于二維材料的創(chuàng)新研究

肖延勝

二維材料，是指一些可以薄到一個或者幾個原子層的材料，厚度只有1納米左右，一般從其層狀的母材料被剝離到單層獲得。二維材料是抽象平面在物質(zhì)層次上的極限表達(dá)，其擁有的新奇特性本質(zhì)源自低維度的量子限域效應(yīng)對波函數(shù)的影響。伴隨著2004年曼徹斯特大學(xué)Geim小組成功用玻璃膠帶分離出單原子層的石墨材料——石墨烯，二維材料的概念走進(jìn)大眾的視野?！扒嗄昵擞媱潯碧仄笇＜?，南方科技大學(xué)副教授林君浩博士致力于二維材料的研究，尤其專注二維材料缺陷結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的科研探索，并取得一定的成績。

實驗理論雙管齊下

林君浩出生于廣東省廣州市，在華南理工大學(xué)光信息科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)后，前往美國范德比爾特大學(xué)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位。“前往美國讀博士的時候，我想選擇一個更注重實驗的導(dǎo)師。在與導(dǎo)師溝通的過程中，我得知他有意向培養(yǎng)兼具實驗和理論雙重背景的學(xué)生，因為這樣會使理論和實驗融會貫通，更好的解決科研問題。導(dǎo)師的話讓我意識到自己之前的想法是片面的，真正的科研應(yīng)該是理論與實踐相結(jié)合的。”紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行?？蒲兴枷胍庾R的升華讓林君浩找到了科研的新方向，并在異國他鄉(xiāng)開始了科研的新旅程。

在球差掃描電鏡操作間進(jìn)行高分辨二維材料成像實驗

通過結(jié)合實驗原子圖像和理論模擬計算，林君浩明確了二維材料里各種缺陷的形成機理，并提出了部分缺陷結(jié)構(gòu)能顯著改善或增強材料的性能。這些工作在二維材料的電子與光學(xué)器件應(yīng)用等方面有極其重要的意義。在表征二維材料的研究中，林君浩取得了豐碩的成果。他利用低電壓掃描透射電子顯微技術(shù)得到雙層石墨烯中不同堆垛晶界的原子結(jié)構(gòu)。通過結(jié)合分子動力學(xué)模擬，林君浩還揭示了雙層石墨烯材料中存在著漸變的晶界結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠以波紋的形式緩解不同堆垛結(jié)構(gòu)結(jié)合處產(chǎn)生的應(yīng)力。這跟傳統(tǒng)材料的晶界結(jié)構(gòu)完全不一樣，同時這樣的晶界結(jié)構(gòu)可能極大地改變電子在晶界里的傳輸特性。除此之外，在新型二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中，林君浩創(chuàng)新性地運用低電壓顯微技術(shù)得到了兩種不同二維材料的側(cè)向連接晶界的清晰原子結(jié)構(gòu)。在實驗過程中，通過對晶界化學(xué)組成的擬合，林君浩首次得到了二維材料中側(cè)向異質(zhì)結(jié)晶界的精細(xì)原子分布圖。這一成果意義重大，進(jìn)一步證明了兩種二維材料在晶界處的存在能夠無縫對接的晶界。林君浩再接再厲，繼續(xù)開展深入的理論研究。通過理論預(yù)測，這樣的晶界結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生微小的能帶扭曲，從而導(dǎo)致形成一個完全平面的二維p-n結(jié)。這個研究成果促進(jìn)了人們探索二維材料在光電探測器件和太陽能發(fā)電中的應(yīng)用。

“在美國進(jìn)行科研的這些年，我始終堅信科研需要理論和實際相結(jié)合。”一直堅持此科研信條的林君浩不僅在二維材料復(fù)雜缺陷中的表征研究方面取得豐碩成果，同時對二維材料缺陷的動態(tài)演化過程和闡述背后的物理機制也做出了重要貢獻(xiàn)。林君浩利用低電壓連續(xù)掃描成像技術(shù)研究二維平面材料二硒化鉬（MOSe2）的硒空穴的動態(tài)演變的過程。在這一實驗中，他發(fā)現(xiàn)了硒空穴具有群體動態(tài)行為，并最終能夠演化成三角形的反向晶疇。為了分析研究反向晶疇的形成原因，林君浩通過結(jié)合泛函理論的原子計算，最終發(fā)現(xiàn)二維材料為了釋放不斷堆積的硒空穴所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而形成該反向晶疇，以此保護(hù)其二維平面結(jié)構(gòu)。這些研究成果受到了同行的廣泛引用，對于缺陷在高溫高壓等極端環(huán)境下對二維材料形貌改變有了新認(rèn)識。

林君浩還發(fā)展了低電壓掃描透射電子技術(shù)的可控掃描技術(shù)，實現(xiàn)直接在二維材料里刻蝕僅有三個原子寬度的金屬納米線技術(shù)。該技術(shù)具有原子級精度，能夠解決納米二維材料器件之間實現(xiàn)側(cè)面橋接納米線的難題，對推動二維材料的平面集成電子電路發(fā)展起關(guān)鍵性作用。實驗過程中，他利用電腦編程精確刻蝕材料的指定區(qū)域，首次制作出了復(fù)雜的原子級納米線結(jié)構(gòu)，如納米線的方向偏轉(zhuǎn)、分叉等復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)。以此工作為基礎(chǔ)，林君浩繼續(xù)深入研究，進(jìn)一步闡明了合金納米線的存在。通過置換在納米線里不同的陽離子和陰離子，得到具有不同合金濃度的納米線，同時通過調(diào)節(jié)合金濃度來達(dá)到調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)的目的。這些研究成果為將來在二維電子器件中直接制作原子級金屬連接導(dǎo)線打下了基礎(chǔ)。在美國的科研時光為林君浩積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗，這也堅定了他繼續(xù)進(jìn)行二維材料研究的決心。

做科研的傳承者

自21世紀(jì)以來，中國始終堅定不移地實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和人才強國戰(zhàn)略，大力扶持創(chuàng)新型科研項目成了中國科技發(fā)展的重中之重。目前，新興發(fā)展的二維材料研究項目在中國仍需要大量的參與者共同推動其發(fā)展。對祖國的責(zé)任感和使命感促使林君浩回到中國，利用自己的科研經(jīng)驗及科研成果，繼續(xù)二維材料的科研探究。由于層間量子耦合效應(yīng)的消失，單層二維材料表現(xiàn)出與其對應(yīng)的塊體材料截然不同的新奇性質(zhì)，這里面還有很多有意思的物理現(xiàn)象值得探索，同時也可能設(shè)計出新一代的超薄電子器件。利用之前在二維材料研究中積累的豐富經(jīng)驗和成果，接下來林君浩將對新型二維材料器件在實際工作環(huán)境條件下缺陷結(jié)構(gòu)的實時動態(tài)演化進(jìn)行研究。目前，林君浩任職于南方科技大學(xué)，博士生導(dǎo)師?！俺丝蒲泄ぷ魍?，作為一名教師，其實我更像是傳送帶。我要利用我的科研知識和經(jīng)驗培養(yǎng)更多的人才為科研事業(yè)做貢獻(xiàn)。以我個人的經(jīng)驗，我覺得對本科和研究生的課程教授應(yīng)該是結(jié)合實際的研究。所以在我的教學(xué)規(guī)劃里，我打算把自己課題組里的科研成果融入教學(xué)課程的知識點中去。這樣能給學(xué)生們一個具體的例子，說明課本的知識是怎么結(jié)合到我們實際的科研工作中的。我覺得這樣既能提起學(xué)生們對科研的興趣，又能加深他們對課本知識的學(xué)習(xí)，一舉兩得?！睂τ诨貒蟮囊?guī)劃，林君浩是這樣說的。授之魚不如授之以漁，林君浩在用自己的親身經(jīng)歷為二維材料的發(fā)展做貢獻(xiàn)，同時也努力為祖國在新材料領(lǐng)域培養(yǎng)人才，我們相信林君浩一定會給我們帶來更多的驚喜。