獨(dú)辟蹊徑科研路 求是創(chuàng)新勇登攀

□王 涵

科學(xué)研究不能墨守成規(guī)，有時(shí)候反其道而行之的科研思維，可能會為科學(xué)研究打開一個(gè)新的局面?！安蛔邔こＢ贰钡母独诰褪沁@樣一位“有想法”的科研人。

21世紀(jì)初，石墨烯橫空出世，以其為代表的二維原子晶體因優(yōu)越的電子傳輸性能、光學(xué)特性等得以在諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。然而，若要進(jìn)一步發(fā)展二維原子晶體的基礎(chǔ)研究、推動其應(yīng)用進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的可控生長是必經(jīng)關(guān)隘。

十幾載求是，科研路上勇攻堅(jiān)。以電子信息、能源領(lǐng)域的應(yīng)用需求為導(dǎo)向，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院教授付磊聚焦于碳納米管、二維原子晶體及其異質(zhì)結(jié)的可控生長和組裝，建立新型的適宜于器件應(yīng)用的材料生長方法。通過不斷嘗試與探索，近年來，他與科研團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，利用液態(tài)金屬的特殊性質(zhì)，發(fā)展出一系列有特色的化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，在二維原子晶體及其異質(zhì)結(jié)的可控生長、組裝與轉(zhuǎn)移方面取得了一系列原創(chuàng)性成果。

堅(jiān)定方向，深入探索石墨烯

科研是一個(gè)探索未知的過程，需要與不確定性長期共處。在付磊看來，在科研領(lǐng)域探索未知的樂趣是一直存在的，重要的是能正確選定自己一生甘愿奮斗的方向。

2001年，付磊從武漢大學(xué)本科畢業(yè)后來到了中國科學(xué)院化學(xué)研究所，師從劉云圻院士、朱道本院士攻讀博士學(xué)位。付磊在博士期間的研究是基于碳納米管開展的，他發(fā)展了碳納米管的可控包覆和修飾方法，構(gòu)筑了一系列創(chuàng)新性的原型電子器件。博士畢業(yè)后，他赴美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)從事碳納米管方面的研究工作，研究重心從電學(xué)性能轉(zhuǎn)變?yōu)榱W(xué)性能。2008年，付磊加入北京大學(xué)劉忠范院士團(tuán)隊(duì)擔(dān)任副研究員。當(dāng)時(shí)，劉忠范院士團(tuán)隊(duì)也在從事碳納米管相關(guān)的研究工作，該如何選取自己未來的研究方向，成了擺在付磊眼前的一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的問題。是該承繼之前碳納米管的工作，還是另選新題，他陷入了深深的思考。

“可控才有真正的未來，不可控就只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究的階段，隨著結(jié)構(gòu)的變化，碳納米管既可以是金屬性的，也可以是半導(dǎo)體性的，這是件好事，也是一件壞事，其劣勢在于如果無法控制碳管的結(jié)構(gòu)（手性），就難以誕生撒手锏級應(yīng)用?！备独谡f。石墨烯與碳納米管都是由sp2雜化的碳原子組成的，兩者有著類似的應(yīng)用領(lǐng)域，但是石墨烯沒有碳納米管的手性控制問題，也許石墨烯是個(gè)不錯(cuò)的研究方向。彼時(shí)，在中國還鮮少有科研人員從事石墨烯的可控生長研究，在劉忠范院士的支持下，付磊便開始在這一方向上進(jìn)行不遺余力的探索，他所發(fā)展的偏析生長方法實(shí)現(xiàn)了晶圓級石墨烯的制備，所提出的二元合金策略首次實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格單層石墨烯的生長。然而，他們發(fā)現(xiàn)所制得的單層石墨烯的電學(xué)性能不佳，背后的原因困擾了付磊很久。

“工欲善其事，必先利其器?！本哂性蛹壏直媛屎透鞣N分析功能的球差校正透射電鏡是深入研究石墨烯微觀結(jié)構(gòu)的利器。2011年國內(nèi)尚缺乏這類儀器，于是付磊前往德國萊布尼茨固態(tài)和材料研究所開展了合作研究，利用球差電鏡他發(fā)現(xiàn)，通常方法看起來完美無瑕的石墨烯就像袈裟一樣，是由很多納米級的“破布頭”拼接而成的，這也是為什么其電子輸運(yùn)性能不佳，遠(yuǎn)不及理論預(yù)期的原因。

獨(dú)辟蹊徑，建立液態(tài)金屬生長體系

得益于這段在德國的研究經(jīng)歷，付磊明確知道了困擾自己研究的關(guān)鍵所在，他堅(jiān)定了要可控生長高質(zhì)量石墨烯單晶的決心，這也成了他科研道路的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2012年，付磊全職加入武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，創(chuàng)建了先進(jìn)納米材料實(shí)驗(yàn)室（LAN），開始獨(dú)立帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于石墨烯等二維原子晶體的可控生長及應(yīng)用研究。

采用CVD法生長二維原子晶體需要依托于催化劑襯底，而催化劑的表面形貌與結(jié)構(gòu)會影響其上生長的二維原子晶體。傳統(tǒng)使用的固態(tài)金屬催化劑并不是完美的單晶，其表面存在著晶界、疇區(qū)等多種缺陷，這些缺陷會導(dǎo)致二維原子晶體的不均勻成核及生長。故而如何降低催化劑表面的缺陷，成了諸多科學(xué)家努力的方向。

付磊帶領(lǐng)其研究團(tuán)隊(duì)從另一個(gè)研究角度出發(fā)，開始了全新的開拓。“既然將催化劑的缺陷密度降低為零是不可能的，倒不如反其道而行之，選用一個(gè)滿是缺陷的表面——液態(tài)金屬表面來實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的均勻生長?！备独谡f。液體金屬表面是沒有晶格的，其中的金屬原子進(jìn)行著熱遷移，原子團(tuán)簇間不斷發(fā)生著重組，就像我們?nèi)粘？吹降暮粯?，每一滴水在湖面上的位置都是動態(tài)但又不可區(qū)分的。而付磊團(tuán)隊(duì)正是利用了這樣一個(gè)無序但均勻的表面來生長石墨烯，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，在液態(tài)金屬表面石墨烯的生長遵循嚴(yán)格的自限制生長行為，很容易就能獲得嚴(yán)格均勻的單層石墨烯，而且對生長參數(shù)的差異容忍度很高，更重要的是，其晶疇較之固態(tài)基底上生長的石墨烯大了不少。而這僅僅是一個(gè)美妙的開始，依托著液態(tài)金屬具有流動性的特點(diǎn)，付磊團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了二維原子晶體在液態(tài)表面的自組裝，獲得了首個(gè)超有序的二維單晶陣列結(jié)構(gòu)；依托于液態(tài)體相能包埋異質(zhì)原子的特點(diǎn)，二維原子晶體的體相傳質(zhì)生長機(jī)制被觸發(fā)，他們實(shí)現(xiàn)了二維原子晶體單晶的伴生生長，獲得了100%堆垛、界面清潔的二維原子晶體異質(zhì)結(jié)。

但付磊并不滿足僅僅在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的可控制備，液態(tài)金屬基底用于生長二維原子晶體是否具有可放大性呢？這是付磊一直很在意的問題，終于他從一項(xiàng)制備浮法玻璃的傳統(tǒng)技藝中得到了啟發(fā)。在池子中倒入液態(tài)金屬銦，能形成一個(gè)均勻的液態(tài)表面；然后融化的玻璃原料像水一樣流入液池且自發(fā)鋪展，由于密度差異，玻璃液就會非常均勻地鋪展在液態(tài)金屬表面，隨之進(jìn)行冷卻凝固，即可獲得表面平整的大塊玻璃，這與付磊團(tuán)隊(duì)在液態(tài)金屬表面進(jìn)行二維原子晶體的大面積生長有異曲同工之妙。

做好生長只是第一步，若要將二維原子晶體用于構(gòu)筑各類電子器件，還需要發(fā)展一種高效、潔凈、無損的轉(zhuǎn)移方法將其從生長的金屬基底轉(zhuǎn)移到各類絕緣基底上，滿足不同的應(yīng)用需求。在研究中，付磊團(tuán)隊(duì)利用液態(tài)金屬在熔融狀態(tài)下原子具有可易位性的特點(diǎn)，將液態(tài)金屬上生長的石墨烯等二維原子晶體直接滑移到了目標(biāo)襯底上，這個(gè)過程像用鉛筆在紙上寫字一樣迅速，而且由于整個(gè)轉(zhuǎn)移過程不涉及聚合物轉(zhuǎn)移媒介，轉(zhuǎn)移后的二維原子晶體表面十分潔凈。如果將這種新型的滑移方法集成于液態(tài)金屬浮法制二維原子晶體的工藝中，有望實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的超大面積制備和快速無損轉(zhuǎn)移，繼而有望推進(jìn)其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程。

付磊

從零開始，走自己的科研路

萬事開頭難。付磊只身前往武漢大學(xué)開展科研工作時(shí)，整個(gè)武漢大學(xué)乃至華中地區(qū)鮮少有人從事二維原子晶體的可控生長研究。在建立自己的實(shí)驗(yàn)室之初，付磊面臨的最大困難就是學(xué)生對石墨烯等二維原子晶體一無所知。

在德國從事研究工作期間，付磊看到德國同行在撰寫一本關(guān)于石墨烯的專業(yè)書籍，這本書對石墨烯的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、表征方法以及器件應(yīng)用都介紹得十分全面系統(tǒng)，且英文表達(dá)也十分地道，可謂是研究生入門石墨烯領(lǐng)域的絕佳教材。當(dāng)時(shí)，付磊就在想，能不能帶領(lǐng)學(xué)生將這本教材翻譯出來，一方面讓學(xué)生能沉下心來積累石墨烯相關(guān)的基礎(chǔ)知識，另一方面也能提高他們的專業(yè)英語閱讀與表達(dá)能力，還能供后續(xù)的學(xué)生乃至全國從事這一領(lǐng)域研究工作的人們閱讀。而那時(shí)付磊的團(tuán)隊(duì)只有三個(gè)學(xué)生，翻譯一本450頁的英文專業(yè)書對于他們來說無疑壓力極大。盡管在翻譯中途，付磊無數(shù)次想過放棄，但他最終還是堅(jiān)持了下來，斷斷續(xù)續(xù)花了一年半時(shí)間，這本國內(nèi)首部石墨烯學(xué)術(shù)專業(yè)譯著《石墨烯：基礎(chǔ)及新興應(yīng)用》最終于2015年由科學(xué)出版社出版發(fā)行，如今已重印多次，并在領(lǐng)域內(nèi)獲得了很好的口碑。

從零開始，付磊已經(jīng)建立了一支近40人的科研團(tuán)隊(duì)。在將先進(jìn)納米材料實(shí)驗(yàn)室從“小舢板”變成“大艦船”的過程中，他始終不忘初心，科研目標(biāo)明確。他相信把二維原子晶體的可控合成做到極致的那一天，離其真正應(yīng)用也就不太遠(yuǎn)了。付磊也是一個(gè)極其“居安思?！钡娜?，他時(shí)刻保持著興奮的狀態(tài)，尋求著科研中的新發(fā)現(xiàn)?！耙肋h(yuǎn)記住科研工作者是在一條波動的曲線上，在一個(gè)小頂點(diǎn)上停留太久，忘了前行，就離下滑不遠(yuǎn)了。”付磊如是說。

魯迅先生說“世上本沒有路，走的人多了也便成了路”。走屬于自己的科研道路，雖然荒草萋萋、十分幽寂，但也顯得更誘人、更美麗。付磊堅(jiān)信那些未經(jīng)人選擇的路會帶領(lǐng)自己走向研究的新天地，未來自己也會留下深深的足跡。