專注低維材料 奏響科研新歌

自人類誕生以來，如何憑借有限的空間和能源延續(xù)自身文明并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，一直是人類命運(yùn)共同體所面臨的首要挑戰(zhàn)，以解放和發(fā)展生產(chǎn)力為目的的技術(shù)革新無疑為破解這一難題提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力。特別是人類進(jìn)入工業(yè)時(shí)代以來，以蒸汽機(jī)為代表的第一次工業(yè)革命、以電力為代表的第二次工業(yè)革命和以信息技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命，都將重點(diǎn)投射于對(duì)物質(zhì)更深層次、更精妙的理解上，而幾乎與第三次工業(yè)革命同時(shí)興起的半導(dǎo)體相關(guān)研究，也依照這樣的規(guī)律，以“更小、更快、更節(jié)能”的方式進(jìn)行迭代，不斷地為人類帶來新的可能和機(jī)遇。

時(shí)至今日，半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域。與此同時(shí)，隨著器件小型化的不斷發(fā)展和集成度的不斷提高，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體器件已經(jīng)逼近極限尺寸，一系列由于器件工作原理和工藝技術(shù)本身的物理限制而產(chǎn)生的難題，將成為相關(guān)研究及行業(yè)發(fā)展難以突破的上限。就在此時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)制備工藝和合成技術(shù)的發(fā)展，面向更低維度、更小尺度特質(zhì)的低維材料應(yīng)運(yùn)而生，并以其獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性質(zhì)，使人類借助它研發(fā)更高效器件和更新功能成為可能。有關(guān)低維半導(dǎo)體材料的研究吸引了越來越多相關(guān)科研工作者的關(guān)注，而中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員吳江濱就是其中之一。

點(diǎn)亮專注科研的星火

2008年，出身于福建農(nóng)村、抱著“走出家鄉(xiāng)看一看”想法的吳江濱，頭一次聽說了華中科技大學(xué)的名字。彼時(shí)的他，對(duì)這所遠(yuǎn)方的學(xué)校知之甚少，對(duì)自己即將進(jìn)入的光學(xué)與電子信息學(xué)院幾乎是“一無所知”?！斑@個(gè)專業(yè)到底是學(xué)什么的？又能做什么？”懷揣這樣的問題，吳江濱甫一入校，就展現(xiàn)出旺盛的求知欲，與老師同學(xué)交流心得、啟發(fā)靈感更成了他經(jīng)常做的事。這份勤勉與執(zhí)著，撫平了他曾經(jīng)因“無知”而產(chǎn)生的迷茫情緒，也讓他在大一下學(xué)期時(shí)即獲得了進(jìn)入江建軍教授和繆靈教授所主持的計(jì)算材料與測(cè)試模擬中心（CCMS）實(shí)驗(yàn)室參與科研工作的機(jī)會(huì)。

從最基礎(chǔ)的原理入手，吳江濱一步步接觸到人工智能算法（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）和仿生算法（遺傳算法）的相關(guān)研究；隨著專業(yè)知識(shí)的積累和科研視野的開闊，他的研究重心也逐漸從算法轉(zhuǎn)向材料和器件?！按笕臅r(shí)候，我初次接觸了以石墨烯為代表的低維材料，并對(duì)其物理性質(zhì)展開了第一性原理的計(jì)算工作。在更多了解了低維材料的特性后，我開始嘗試在研究中回答‘如何將石墨烯等力學(xué)性能優(yōu)良的材料和電化學(xué)性能優(yōu)異的材料結(jié)合在一起，用于鋰電池的負(fù)極，以改善其使用壽命’的具體命題?！?/p>

所謂低維材料，是指至少在一個(gè)維度上尺寸處于納米尺度的材料，主要包括零維、一維和二維結(jié)構(gòu)，以及以低維結(jié)構(gòu)為基本單元構(gòu)筑的復(fù)合結(jié)構(gòu)、組裝體和功能器件?！霸诤暧^的材料體系中，常規(guī)材料往往具有3個(gè)空間維度，即x軸、y軸、z軸。而當(dāng)將其中一個(gè)維度降低到無限接近于零的原子尺度，我們就認(rèn)為這個(gè)維度已經(jīng)‘消失’了，由此誕生的就是低維材料中的二維材料。以此類推，一維材料就是同時(shí)縮減兩個(gè)維度，而零維材料則是同時(shí)縮減3個(gè)維度。”吳江濱解釋道。在與低維材料“打交道”的過程中，其極高的表面積、強(qiáng)烈的量子限制效應(yīng)和優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)，以及基于這些特性所展現(xiàn)出的廣闊前景，深深吸引了這個(gè)醉心科研的年輕人；而在一系列基礎(chǔ)性研究中斬獲的成果，也讓他堅(jiān)定了繼續(xù)在科研路上走下去的信心。

站在當(dāng)下回看自己科研生涯的起點(diǎn)，吳江濱頗為感慨。這段“很早就接觸科研、在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中獲得了一系列專業(yè)培訓(xùn)”的經(jīng)歷，不僅見證了他與低維材料、第一性原理、人工智能算法等研究領(lǐng)域的“相識(shí)”“相知”的科研經(jīng)歷，更重要的是讓他充分了解了科學(xué)研究的范式——“從那時(shí)候起，我明白了科學(xué)研究是怎么回事，從如何查找文獻(xiàn)去了解一個(gè)領(lǐng)域，到如何去尋找這個(gè)領(lǐng)域中的科學(xué)問題，再到如何運(yùn)用自己所掌握知識(shí)和方法，通過不斷地實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)方法和模型，去解決上述問題。”“知其然，知其所以然”的吳江濱，也在本科階段即嶄露頭角，憑借兩篇國(guó)際會(huì)議論文、兩篇期刊論文的亮眼成績(jī)?nèi)〉昧吮Ｋ偷街袊?guó)科學(xué)院攻讀碩博連讀生的資格?；谧陨韺?duì)低維材料強(qiáng)烈的科研興趣，在聯(lián)系導(dǎo)師時(shí)，他義無反顧地選擇了在低維材料光譜研究方面頗有建樹的譚平恒研究員，而他的科研生涯也就此掀開全新的一頁。

全力探索創(chuàng)新的閃光

在吳江濱進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所學(xué)習(xí)的2012年，“低維材料迎來增長(zhǎng)爆發(fā)期”的說法也正在一步步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。而此時(shí)的吳江濱尚未有“生逢其時(shí)”的實(shí)感，從本科階段改善型的科研實(shí)踐，到碩博階段開拓型的科研攻關(guān)，他度過了一段難挨的探索時(shí)光。

“如果說本科時(shí)還能‘摸著石頭過河’；到了半導(dǎo)體研究所以后，我最初的科研嘗試可謂是‘一問三不知’——不知道要研究的‘主角’是什么、不知道要用什么方法驗(yàn)證、更不知道最終的結(jié)果是否正確，一切都要依據(jù)自己所學(xué)的知識(shí)慢慢探索，大膽假設(shè)，反復(fù)求證?！眳墙瓰I回憶道，“但科學(xué)研究的第一要義是創(chuàng)新性，經(jīng)過一次次探索、最終證明了結(jié)論是正確的瞬間，是收獲最多的瞬間，也是讓我感受到真正為這個(gè)領(lǐng)域作出了一些貢獻(xiàn)的瞬間?！本瓦@樣，扎實(shí)的基礎(chǔ)鑄成他朝著更加精深方向求索的階梯，積極的態(tài)度更催生了探索新領(lǐng)域的不竭動(dòng)力。在完成了一些有關(guān)二維材料光譜方面的研究后，吳江濱以更篤定的心態(tài)，開始找尋低維材料在“增長(zhǎng)爆發(fā)期”中的熠熠光點(diǎn)。

2012年，低維材料領(lǐng)域出現(xiàn)了兩個(gè)主要趨勢(shì)：其一是“由一到多”，行業(yè)的研究重心從專注石墨烯轉(zhuǎn)為石墨烯和以二硫化鉬為代表的過渡金屬硫化物材料上；其二就是一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新方向——二維范德華異質(zhì)結(jié)的提出?！坝捎诙S材料的層間都是范德華相互作用，因此它們可以像堆樂高一樣，把不同性質(zhì)的材料堆疊起來，形成一個(gè)性能能夠按需訂制的范德華異質(zhì)結(jié)，從而以取長(zhǎng)補(bǔ)短的形式賦予這一材料更多功能。而在堆疊過程中，不同石墨烯片層取向隨機(jī)的多層石墨烯會(huì)形成轉(zhuǎn)角，這可能會(huì)對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)和界面的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而產(chǎn)生新奇的器件應(yīng)用?！弊T平恒和吳江濱幸運(yùn)地在大熱的研究領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)了難得的“空白地”，師生二人當(dāng)機(jī)立斷，就此展開以“轉(zhuǎn)角多層石墨烯為代表的范德華異質(zhì)結(jié)中的界面層間力學(xué)耦合”為主題的相關(guān)研究。

通過譚平恒研究組自主開發(fā)的低波數(shù)共振拉曼光譜技術(shù)，吳江濱全力參與到對(duì)轉(zhuǎn)角多層石墨烯層間耦合模式的系統(tǒng)研究中?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)角多層石墨烯界面處的層間呼吸耦合與正常Bernal堆垛多層石墨烯的強(qiáng)度相當(dāng)；而依據(jù)層間剪切耦合計(jì)算，后者在轉(zhuǎn)角多層石墨烯界面處的層間剪切耦合應(yīng)減弱到正常Bernal堆垛多層石墨烯的20%。是什么原因?qū)е铝诉@樣的差異？”通過第一性原理的計(jì)算，他們得出了一個(gè)經(jīng)得起驗(yàn)證的結(jié)論：轉(zhuǎn)角多層石墨烯界面處的對(duì)稱性破缺，是導(dǎo)致其剪切模和呼吸模表現(xiàn)出不同行為的主要原因。同時(shí)他們的進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，過去只考慮最近鄰相互作用的單原子鏈模型已無法正確描述多層石墨烯的呼吸模頻率隨其層數(shù)的變化關(guān)系；而加入次近鄰層間呼吸耦合，則可解釋實(shí)驗(yàn)觀察到的轉(zhuǎn)角多層石墨烯的層間呼吸模頻率，并擬合得到多層石墨烯的次近鄰層間呼吸耦合為最近鄰的9%。這一成果是在范德瓦爾斯二維晶體材料中第一次觀察到這種次近鄰的層間呼吸耦合，基于這一成果，研究者可通過觀察層間剪切模來探測(cè)轉(zhuǎn)角多層石墨烯中各Bernal堆垛子系統(tǒng)的層數(shù)，同時(shí)用層間呼吸模來探測(cè)其總的層數(shù)。后續(xù)他們還將這個(gè)結(jié)論推廣到了石墨烯和二硫化鉬等其他范德華異質(zhì)結(jié)中。

從現(xiàn)象中磨礪提煉出“不同于教科書”的新結(jié)論、完善了對(duì)范德華異質(zhì)結(jié)界面耦合的理解后，在導(dǎo)師鼓勵(lì)下經(jīng)常參與交流合作活動(dòng)的吳江濱，敏銳地抓住了“低維材料器件走向應(yīng)用”的風(fēng)口，而他涵蓋半導(dǎo)體、物理、數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的研究經(jīng)歷和卓越的科研成果，也為他贏得了赴美國(guó)南加州大學(xué)電子工程系開展博士后研究的機(jī)會(huì)。

夯實(shí)低維材料發(fā)展的基石

在博士后導(dǎo)師汪涵（Han Wang）教授的帶領(lǐng)下，遠(yuǎn)赴異國(guó)的吳江濱很快找到了新的科研錨點(diǎn)——基于性能獨(dú)特的新興材料和納米技術(shù)，他決心在開發(fā)新型半導(dǎo)體電子和光子器件層面投注更多心血?！斑@是一項(xiàng)高度交叉的研究工作，涉及從基礎(chǔ)研究到先進(jìn)電子和光子應(yīng)用的全領(lǐng)域，以提升現(xiàn)有電子和光子器件性能為目標(biāo)，發(fā)明具有全新功能的半導(dǎo)體納米器件，是我們團(tuán)隊(duì)上下共同的奮斗目標(biāo)?！钡谛袠I(yè)快速發(fā)展的背景下，吳江濱卻并不冒進(jìn)，他選擇從根本入手，在提出先進(jìn)半導(dǎo)體器件的機(jī)理的基礎(chǔ)上不斷提升器件的性能、幫助它更好發(fā)揮作用，成了他為之奮斗的新方向。

從先前的研究成果出發(fā)，基于上述對(duì)二維材料界面耦合的理解，吳江濱提出了基于石墨烯/銅銦磷硫（CIPS）/鉻（Cr）的范德華異質(zhì)結(jié)的超高隧穿電阻比的調(diào)控機(jī)理。其中，由二維室溫鐵電體CIPS構(gòu)造的范德華異質(zhì)結(jié)為半金屬－鐵電體－金屬結(jié)構(gòu)的范德華鐵電隧穿結(jié)，其工作原理特別是勢(shì)壘高度差的調(diào)控機(jī)制明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體接觸的鐵電隧道結(jié)。具體表現(xiàn)是，當(dāng)CIPS中的鐵電極化方向朝向石墨烯時(shí)，石墨烯為n型摻雜，此時(shí)勢(shì)壘很低，隧穿結(jié)處于開態(tài)；而當(dāng)CIPS中的鐵電極化方向朝向鉻時(shí)，石墨烯為p型摻雜，此時(shí)勢(shì)壘很高，隧穿結(jié)處于關(guān)態(tài)?！斑@個(gè)過程就像一個(gè)開合開關(guān)的過程?！眳墙瓰I形象地解釋道，“因?yàn)槭┰诘依它c(diǎn)附近的態(tài)密度很小（即半金屬特性），在鐵電極化翻轉(zhuǎn)的時(shí)候，能引起高達(dá)1電子伏特（eV）的勢(shì)壘高度差，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鐵電隧穿結(jié)（約0.1eV），從而導(dǎo)致很大的隧穿電阻比。而先前的鐵電隧穿結(jié)則大部分由鈣鈦礦型鐵電體和氧化物型鐵電體組成，會(huì)不同程度地出現(xiàn)與傳統(tǒng)硅工藝難以兼容或隧穿電阻比較低的問題，這極大限制了相關(guān)器件的應(yīng)用前景。而我們所提出的范德華鐵電隧穿結(jié)，正是兼顧了硅工藝兼容性和高隧穿電阻比的具體需求，這也使它成為下一代高性能非易失性存儲(chǔ)器的理想選擇之一?！?/p>

此外，在與楊建華教授關(guān)于憶阻器的合作中，吳江濱同樣從機(jī)理入手，用“降噪”的模式突破憶阻器精度，攻克了AI芯片存儲(chǔ)能力不足的難題?！皯涀杵?，也叫存算一體的人工突觸，可以把它理解為人腦中的神經(jīng)元。由憶阻器組成的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以顯著地改善人工智能的數(shù)據(jù)吞吐量和能耗，而想要高效完成對(duì)這樣的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，無疑對(duì)器件的高精度編程能力（足夠多的可被區(qū)分的阻態(tài)）提出了極高的要求。但當(dāng)時(shí)憶阻器的阻態(tài)數(shù)量都少于200個(gè)，這成為憶阻器進(jìn)一步應(yīng)用的巨大障礙?！泵鎸?duì)如何提升憶阻器精度的實(shí)際難題，吳江濱借助原位的導(dǎo)電原子力顯微鏡研究，在具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的256×256憶阻器（RRAM）陣列上，發(fā)現(xiàn)了器件中的寄生于主導(dǎo)電通道的微弱“副通道”?！啊蓖ǖ馈鶐淼碾S機(jī)電報(bào)噪聲，是限制RRAM達(dá)到更多可區(qū)分阻態(tài)的關(guān)鍵，而通過新的電氣操作協(xié)議來消除這些噪聲，就可以順利破解過去精度不足的難題，從而為高精度RRAM走向不同應(yīng)用場(chǎng)景并最終實(shí)現(xiàn)商用化提供可能。”吳江濱解釋道。帶著這份具有突破性并成功發(fā)表于《自然》（Nature）的成果，他踏上了回國(guó)的飛機(jī)，并以研究員的身份再一次回到培養(yǎng)自己的中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，加入半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

“正如習(xí)總書記所說，我國(guó)目前很多的技術(shù)問題，根子是基礎(chǔ)理論研究跟不上；而我的研究經(jīng)歷也清楚地告訴我，半導(dǎo)體物理是一切半導(dǎo)體技術(shù)的源頭和底層。作為我國(guó)半導(dǎo)體物理領(lǐng)域唯一的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著從根本上提升我國(guó)科技高水平自立自強(qiáng)發(fā)展的重要任務(wù)。而我也將盡我所能，在這里作出新的貢獻(xiàn)?！碧峒拔磥恚瑓墙瓰I堅(jiān)定地說道。