三個月兩登《自然》！探索未知，他們在材料世界里“疊樂高”
文章來源：賢集網 更新時間：2023-10-07 15:09:02
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金秋九月，是豐收的季節。來自南方科技大學物理系、粵港澳大灣區量子科學中心的林君浩團隊迎來了好消息。 他們與南京大學物理學院、固體微結構國家重點實驗室高力波團隊的最新合作成果在9月6日成功在《自然》上發表，揭示了他們在二維范德華超導異質結的晶圓級生長及其機理研究方面取得的突破性進展。 這是林君浩團隊在不到三個月時間內的又一篇《自然》。就在6月，《自然》刊登了林君浩團隊與合作團隊在高熵合金納米顆粒方面的最新成果。 在林君浩看來，一系列突破性成果頻繁涌現，是作為科研工作者一個厚積薄發的過程，也是一個水到渠成的結果。“其中有重復的枯燥，有等待的忐忑，也有收獲的喜悅。探尋未知世界的好奇心，會帶我們走向更遠的地方，這便是科研的樂趣。” 因為好奇，所以探索；因為好奇，所以堅韌；因為好奇，所以熱愛。對林君浩而言，探索世界奧秘的“好奇心”是引領他在漫長的科研路上不斷前行的明燈。 仰望星空，他以用科技撬動世界變革為己任；腳踏實地，他更潛心研究解決基礎科學種種難題。作為優秀青年科研人才，南方科技大學理學院物理系黨委書 記、副教授林君浩獲第二十四屆“廣東青年五四獎章”提名獎。 “勇攀學術高峰，做全世界不敢想象的東西” 敢闖敢試、敢為人先是鐫刻在深圳這座城市、融入深圳人血脈的精神特質。“任何事情你都要去拼一拼，說不定就成了。”這是他來到深圳后最大的感受。 2018年，南方科技大學成為林君浩科研生涯的重要轉折點。此前，林君浩研究的是基礎科學，探索前沿技術原理的可行性與先進性，但離實用性與產業化仍然有一段距離。來到南科大的第一時間，他便組建了先進低維材料實驗室，開展新型超薄半導體與磁性材料的研究。 想象一下，如果以后的手機像紙一樣輕薄，卻能儲存超出目前5-10倍的信息量，該有多神奇？利用材料革新進行新一輪的信息革命，這是林君浩和團隊研究的“終極目標”。 然而，這意味著要不斷縮小元器件的尺寸，逼近物理極限產生的結構不穩定性，也是困擾世界上所有科學家的一大難題。 “勇攀學術的高峰，去做全世界都不敢想象的東西。”南科大校長薛其坤的話一直鼓舞著林君浩。只有提高原創能力，實現更多“從0到1”的突破，才能解決“卡脖子”問題，占據發展的“橋頭堡”和“制高點”。 面對這個棘手的問題，作為實驗室課題組帶頭人，他和團隊用了幾年的時間，首創了一套設備系統，將整套材料生產線都放置在一個密閉的、充滿惰性氣體的環境中來完成實驗。這項研究經歷了“從無到有”的過程，申請了10余項專利，獲得國際科學界的認可，也讓林君浩得到深圳市“孔雀計劃”高層次人才等項目的支持。 “深圳鼓勵年輕人敢于嘗試的同時，也提供了很多的機會，讓我們有信心把以前的不可能、不敢想，甚至是一些夢幻的場景應用，通過我們掌握的技術一步一步實現。”林君浩說道。近年來，林君浩在《自然》等國際頂尖期刊發表論文100余篇，因其在新材料領域有大量的原創性成果且具有明顯的科學引領性，他成功入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創新35人”2021中國區榜單。 在材料世界里“疊樂高” 二維（2D）vdW 異質結構被認為是探索二維物理和器件應用的最佳路線。多層 vdW 異質結構由超導體、半導體、鐵磁體和絕緣體等基本構件在實驗室組裝而成，其具有顯著的靈活性，可以設計和創建具有現有材料無法達到的功能的結構。在疊加元件的組合中，vdWSHs 尤其受到關注，它是由 2D 超導體與其他材料疊加而成。二維 vdWSHs 的高質量制備為創造超導鄰近效應、約瑟夫森結、超導二極管和基于馬約拉納的量子計算提供了平臺。 二維超導異質結中的二維超導材料層，如NbSe2等，由于結構不穩定，很難在二維異質結中直接通過生長集成，因而成為二維范德華超導異質結大規模制備的關鍵難題。在9月份的《自然》文章揭示了一種全新的“高溫到低溫”的逐層生長策略。林君浩課題組與合作團隊為了克服這個問題，通過巧妙設計二維異質結中每一層的生長環境，使其生長溫度均低于前序層，從而實現了高質量的可控多層范德華超導異質結（vdWSH）晶圓級生長。該方法能夠精確地控制vdWSHs中二維超導體材料的層數，并通過球差電鏡表征證實了多層體系的高質量堆疊結構。 這是林君浩這些年一直在二維材料方面耕耘的最新成果。“二維材料其實對應的就是三維材料的簡化版本。我們把三維材料比作一個盒子，如果把這個盒子壓到像一張紙一樣扁，就可以叫做二維材料。而在這個壓扁的過程，或者說它一層一層剝開來的過程，大多數材料是不穩定的，所以我們這個工作其實是發展了一種新的技術，簡單來說就是實現了二維超導體材料的穩定生長，并能在晶元上面生長到非常大面積的尺寸。”林君浩解釋道。 “可以這樣說，在追尋大尺寸的材料的生長上，我們反其道而行之，一般來說，大家其實都是從三維到二維，而我們實際上是一層一層往上去生長，每一層的條件都控制得非常好，這個堆疊的過程有點像疊樂高積木。所以我們現在能長出來一個很多二維材料堆疊在一起的、高質量而且大面積的人造二維材料。” 林君浩介紹，此次發表的文章突破點首先是把這個“樂高積木”第一次搭造到晶圓級的，可以直接與現代的硅工藝進行集成，產業化的前景比較樂觀。另一個突破的地方則是他們優化了這個堆疊的控制過程，引進一些新的二維材料元素，使這個過程變得更穩定。 沿著二維材料方向，林君浩與團隊正在嘗試叩開物理世界新的大門。2018年來到南科大之前，林君浩研究的是基礎科學，探索前沿技術原理的可行性與先進性，但離實用性與產業化仍然有一段距離。來到南科大的第一時間，他便組建了先進低維材料實驗室，開展新型超薄半導體與磁性材料的研究。 “其實我們是以超薄磁性材料為切入口，總結了這個領域里長久存在，但是沒有什么人觸碰的問題。”林君浩相信這一研究有非常吸引人的科技前景——如果以后的手機像紙一樣輕薄，卻能儲存超出目前5-10倍的信息量，那將帶來什么樣的信息革命？為了達到這一目標，需要克服逼近物理極限產生的結構不穩定性，不斷縮小元器件的尺寸。 盡管還有眾多未攻克的難關，但利用材料革新進行新一輪的信息革命的遠大目標，仍然值得憧憬。 多年搭建的實驗儀器成了“獨門武 器” 近年來，二維范德華異質結構引起了相當大的關注。最廣泛使用的制備方法是將機械剝離的微米級薄片堆疊，但這一制備過程無法擴展到實際應用中。盡管使用不同的堆疊組合，可以制備成千上萬種二維材料。但幾乎沒有任何大型的二維超導體可以完整地堆疊成 vdW 異質結構，這極大地限制了這類設備的應用。 在林君浩看來，對儀器的使用，是科學研究非常關鍵的一環，正是發揮出了先進儀器的關鍵作用，課題組才在最近迎來了科研成果的“井噴”。而這三個月內的兩篇《自然》，正是這樣一個“水到渠成”的過程。 在先進低維材料實驗室，各種功能的手套箱連接在一起，這就是林君浩課題組用數年時間搭造起來的科研“利器”。9月份《自然》文章中，與手套箱結合的原子結構表征結果在揭示薄膜生長機制和結晶程度方面起到了關鍵的作用。而此前的一系列研究成果也同樣離不開這套儀器的“加持”。 “從樣品生長一直到結構的表征性能測試，我們都把不同功能的儀器集結在一起，將整套材料生產線都放置在一個密閉的、充滿惰性氣體的環境中來完成實驗。”在實驗室里，物理系研究助理教授侯福臣介紹，他是此次論文的共同第一作者。 搭建儀器的過程是起步最艱難的時候。侯福臣說：“剛開始搭建實驗室那兩年，很多儀器都是林老師和我到處找廠家，甚至請好幾個廠家一起過來開會，討論這些儀器怎么搭建，一點一點拼湊搭造起來。”而利用這套儀器，這項研究申請了10余項專利，獲得國際科學界的認可，團隊也得到廣東省“珠江人才計劃”創新創業等項目的支持。 正應了那句“兵欲善其事，必先利其器”。這一套儀器順利運行了一年多的時間，如今，利用這套儀器產生的成果正在漸漸浮現出來。除了最近的兩篇正刊，還有幾項也頗有分量的成果也正在投稿流程。在磨合期后，課題組正迎來收獲的季節。 帶領課題組成員奔赴無限未知 林君浩課題組的成員們經常打趣，自己不僅是科研人員，還是“工程師”“包工頭”。從無到有的實驗室打造以及儀器設備的搭建調試過程，讓他們在不斷重復的實驗中鍛煉出了動手能力，收獲了豐碩成果，也有了把自己名字寫在世界頂刊上的底氣。 在6月和9月的兩篇《自然》文章中，博士生王剛主要負責材料高分辨結構表征和元素分布檢測方面的工作，如今作為博士后的他繼續留在課題組。作為林君浩老師在南科大帶的第一批學生，王剛參與到了實驗室的規劃設計與設備搭建工作中，特別是在搭建其課題組實驗室獨具特色的手套箱互聯系統時，時常需要動手組裝與改造設備。他表示，在課題組的幾年里，無論是科研邏輯還是理論知識都得到了許多提升，而參與實驗室的建設，更是鍛煉了他的動手能力，為他后來開展實驗工作大有助益。 同樣作為林君浩課題組的第一屆博士研究生，郭增龍見證了實驗室從空蕩蕩到塞滿儀器的全過程。“在這個過程中，林君浩老師對細節的把握和對儀器極致狀態的追求，對我產生了深刻的影響，讓我明白自己不僅只是一個設備的使用者，也是一個從原理上理解設備、并根據自己的理解對設備進行改造的工程師，讓實驗設備能夠更大的發揮作用。” 郭增龍說，在日常的科研工作中，林君浩老師時常教育大家要學會用批判性的思維，不迷信教科書和高水平的論文，嘗試從別人的工作中找到問題的突破口。 接下來，林君浩課題組還有更多的計劃，他們的一系列成果也正在提交。“支撐你在科研事業中一直走下去的，永遠只有一件事：就是你對未來世界的好奇心。”林君浩一直鼓勵課題組的同學們，只有提高原創能力，實現更多“從0到1”的突破，才能將那些不可能、不敢想的場景應用，通過掌握的技術一步一步實現。“希望我們的工作，有朝一日能成為牽動世界變革的動力。” 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_533498.html 來源：賢集網 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。 |
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