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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(wǎng)     更新時間：2023-10-07 15:09:02
金秋九月，是豐收的季節(jié)。來自南方科技大學(xué)物理系、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心的林君浩團(tuán)隊迎來了好消息。



他們與南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室高力波團(tuán)隊的最新合作成果在9月6日成功在《自然》上發(fā)表，揭示了他們在二維范德華超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)的晶圓級生長及其機(jī)理研究方面取得的突破性進(jìn)展。



這是林君浩團(tuán)隊在不到三個月時間內(nèi)的又一篇《自然》。就在6月，《自然》刊登了林君浩團(tuán)隊與合作團(tuán)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(xiàn)，是作為科研工作者一個厚積薄發(fā)的過程，也是一個水到渠成的結(jié)果。“其中有重復(fù)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(yuǎn)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(lǐng)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(chǔ)科學(xué)種種難題。作為優(yōu)秀青年科研人才，南方科技大學(xué)理學(xué)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?wù)?rdquo;提名獎。



“勇攀學(xué)術(shù)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(zhì)。“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(xué)成為林君浩科研生涯的重要轉(zhuǎn)折點。此前，林君浩研究的是基礎(chǔ)科學(xué)，探索前沿技術(shù)原理的可行性與先進(jìn)性，但離實用性與產(chǎn)業(yè)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(jìn)低維材料實驗室，開展新型超薄半導(dǎo)體與磁性材料的研究。



想象一下，如果以后的手機(jī)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(jìn)行新一輪的信息革命，這是林君浩和團(tuán)隊研究的“終極目標(biāo)”。



然而，這意味著要不斷縮小元器件的尺寸，逼近物理極限產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，也是困擾世界上所有科學(xué)家的一大難題。



“勇攀學(xué)術(shù)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(chuàng)能力，實現(xiàn)更多“從0到1”的突破，才能解決“卡脖子”問題，占據(jù)發(fā)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(tuán)隊用了幾年的時間，首創(chuàng)了一套設(shè)備系統(tǒng)，將整套材料生產(chǎn)線都放置在一個密閉的、充滿惰性氣體的環(huán)境中來完成實驗。這項研究經(jīng)歷了“從無到有”的過程，申請了10余項專利，獲得國際科學(xué)界的認(rèn)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(jī)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(yīng)用，通過我們掌握的技術(shù)一步一步實現(xiàn)。”林君浩說道。近年來，林君浩在《自然》等國際頂尖期刊發(fā)表論文100余篇，因其在新材料領(lǐng)域有大量的原創(chuàng)性成果且具有明顯的科學(xué)引領(lǐng)性，他成功入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”2021中國區(qū)榜單。



在材料世界里“疊樂高”



二維（2D）vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是探索二維物理和器件應(yīng)用的最佳路線。多層 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)由超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、鐵磁體和絕緣體等基本構(gòu)件在實驗室組裝而成，其具有顯著的靈活性，可以設(shè)計和創(chuàng)建具有現(xiàn)有材料無法達(dá)到的功能的結(jié)構(gòu)。在疊加元件的組合中，vdWSHs 尤其受到關(guān)注，它是由 2D 超導(dǎo)體與其他材料疊加而成。二維 vdWSHs 的高質(zhì)量制備為創(chuàng)造超導(dǎo)鄰近效應(yīng)、約瑟夫森結(jié)、超導(dǎo)二極管和基于馬約拉納的量子計算提供了平臺。



二維超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)中的二維超導(dǎo)材料層，如NbSe2等，由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，很難在二維異質(zhì)結(jié)中直接通過生長集成，因而成為二維范德華超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)大規(guī)模制備的關(guān)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(tuán)隊為了克服這個問題，通過巧妙設(shè)計二維異質(zhì)結(jié)中每一層的生長環(huán)境，使其生長溫度均低于前序?qū)樱瑥亩鴮崿F(xiàn)了高質(zhì)量的可控多層范德華超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)（vdWSH）晶圓級生長。該方法能夠精確地控制vdWSHs中二維超導(dǎo)體材料的層數(shù)，并通過球差電鏡表征證實了多層體系的高質(zhì)量堆疊結(jié)構(gòu)。



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(yīng)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(shù)材料是不穩(wěn)定的，所以我們這個工作其實是發(fā)展了一種新的技術(shù)，簡單來說就是實現(xiàn)了二維超導(dǎo)體材料的穩(wěn)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(xiàn)在能長出來一個很多二維材料堆疊在一起的、高質(zhì)量而且大面積的人造二維材料。”



林君浩介紹，此次發(fā)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(xiàn)代的硅工藝進(jìn)行集成，產(chǎn)業(yè)化的前景比較樂觀。另一個突破的地方則是他們優(yōu)化了這個堆疊的控制過程，引進(jìn)一些新的二維材料元素，使這個過程變得更穩(wěn)定。



沿著二維材料方向，林君浩與團(tuán)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(chǔ)科學(xué)，探索前沿技術(shù)原理的可行性與先進(jìn)性，但離實用性與產(chǎn)業(yè)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(jìn)低維材料實驗室，開展新型超薄半導(dǎo)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(jié)了這個領(lǐng)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(jī)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(dá)到這一目標(biāo)，需要克服逼近物理極限產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，不斷縮小元器件的尺寸。



盡管還有眾多未攻克的難關(guān)，但利用材料革新進(jìn)行新一輪的信息革命的遠(yuǎn)大目標(biāo)，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(zhì)結(jié)構(gòu)引起了相當(dāng)大的關(guān)注。最廣泛使用的制備方法是將機(jī)械剝離的微米級薄片堆疊，但這一制備過程無法擴(kuò)展到實際應(yīng)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(dǎo)體可以完整地堆疊成 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這極大地限制了這類設(shè)備的應(yīng)用。



在林君浩看來，對儀器的使用，是科學(xué)研究非常關(guān)鍵的一環(huán)，正是發(fā)揮出了先進(jìn)儀器的關(guān)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(nèi)的兩篇《自然》，正是這樣一個“水到渠成”的過程。



在先進(jìn)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(shù)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(jié)合的原子結(jié)構(gòu)表征結(jié)果在揭示薄膜生長機(jī)制和結(jié)晶程度方面起到了關(guān)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(jié)構(gòu)的表征性能測試，我們都把不同功能的儀器集結(jié)在一起，將整套材料生產(chǎn)線都放置在一個密閉的、充滿惰性氣體的環(huán)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(xué)界的認(rèn)可，團(tuán)隊也得到廣東省“珠江人才計劃”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等項目的支持。



正應(yīng)了那句“兵欲善其事，必先利其器”。這一套儀器順利運(yùn)行了一年多的時間，如今，利用這套儀器產(chǎn)生的成果正在漸漸浮現(xiàn)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(jié)。



帶領(lǐng)課題組成員奔赴無限未知



林君浩課題組的成員們經(jīng)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(shè)備的搭建調(diào)試過程，讓他們在不斷重復(fù)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(fù)責(zé)材料高分辨結(jié)構(gòu)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(xù)留在課題組。作為林君浩老師在南科大帶的第一批學(xué)生，王剛參與到了實驗室的規(guī)劃設(shè)計與設(shè)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(lián)系統(tǒng)時，時常需要動手組裝與改造設(shè)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(shè)，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(xì)節(jié)的把握和對儀器極致狀態(tài)的追求，對我產(chǎn)生了深刻的影響，讓我明白自己不僅只是一個設(shè)備的使用者，也是一個從原理上理解設(shè)備、并根據(jù)自己的理解對設(shè)備進(jìn)行改造的工程師，讓實驗設(shè)備能夠更大的發(fā)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(xué)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(yè)中一直走下去的，永遠(yuǎn)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(xué)們，只有提高原創(chuàng)能力，實現(xiàn)更多“從0到1”的突破，才能將那些不可能、不敢想的場景應(yīng)用，通過掌握的技術(shù)一步一步實現(xiàn)。“希望我們的工作，有朝一日能成為牽動世界變革的動力。”

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來源：賢集網(wǎng)
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