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寻梦丨张远波:寻找通向原子级芯片的路

撰文 | 陈静

石器时代、青铜时代、铁器时代……这些时代,以人们用于制造工具的材料命名。人类大步向前的历史,也是不断寻找新材料“为我所用”的历史。

我们的时代,材料舞台上的“主角”是硅。脱胎于最不起眼的沙砾,硅最终被制成大大小小的芯片,控制着手机、电脑、服务器,成为信息时代的“心脏”。

每18个月,芯片上可容纳的晶体管数量增加一倍,性能提升一倍,1997年击败国际象棋世界冠军的IBM“深蓝”超级计算机,计算速度甚至只有如今普通手机的几十分之一。这就是半个多世纪来屡试不爽的“摩尔定律”,它也代表着人类使用硅的水平与日俱增。

但是,“摩尔定律”并非没有终点。毕竟,7纳米厚的晶体管,厚度只相当于几十个原子,如果厚度无限变薄,硅作为半导体的性质将完全消失。甚至有预测认为,“摩尔定律”的极限在2025年就将来临,迫在眉睫。

不止是芯片。就像芯片由硅晶体管这样的器件组成一样,显示屏、信息存储、未来的量子计算……信息时代的“基础设施”们,都在期待人们能在原子尺度上寻找新的材料,发展新型的器件。

这就是复旦大学物理学系教授、2020年“科学探索奖”获奖人凝聚态物理学家张远波的工作。推开他的办公室门,森林绿的墙面,实木铁艺的办公桌和书架,一辆山地自行车……比起凝聚态物理学家,这间办公室更像是属于时尚设计师。“我的目标是,探索新材料,发现新物理。”张远波期待神奇的二维材料能提供新的解决之道。

张远波

复旦大学物理学系教授

2020年“科学探索奖”数学物理学领域获奖人

获奖理由:肯定他在新型二维材料探索及其电学特性研究方面的贡献,支持他在强关联与拓扑二维材料的新物理和器件研究等方向进行探索。

柳暗花明的“纳米铅笔”

想象一下,把一个海绵球扔进墨水,如果球太小,内芯也会被染色。但如果扔进一块玻璃,哪怕非常薄,内芯却能始终保持透明。

硅就像这个海绵球,因为它的表面总要和氧反应形成氧化硅,所以做成的晶体管不能无限小。而石墨烯其实就是单层碳原子构成的石墨薄片,尽管如此之薄,却因为不会和外界反应而能保持稳定。如果能用石墨烯制作晶体管,就有望将芯片密度进一步提升。

2002年秋天,正在哥伦比亚大学攻读博士学位的张远波是年轻的导师Philip Kim招收的头三个学生之一,他开始尝试研究石墨烯:“那时石墨烯还只在理论上存在可能,没有人能真正分离出来。”

最关键的困难是,怎么将普普通通的石墨,“剥”出只有一层原子厚度的材料。“我们平时用铅笔写字,其实就是把铅笔芯里的石墨剥离到纸上,这成了分离石墨烯的灵感来源,我们做出了非常非常小的‘纳米铅笔’,笔尖只有一两个微米大,用微机械手控制在硅片上‘写’,再用显微镜来寻找‘笔迹’里有没有石墨烯。”

花了整整两年时间,张远波的“纳米铅笔”已经能“写”出30层原子厚的石墨薄片,石墨的性质此时已开始变化,张远波据此写出了自己的第一篇论文。他也和隔壁实验室的台湾姑娘谭砚文相识相知,年轻的恋人徜徉在纽约的大街小巷,家里现在还收藏着“911”前两人去双子塔看艺术展的访客卡片。“一起看了好多电影节和艺术展,只是人家问起,一说我们是学物理的,天就聊不下去了。”张远波大笑。

一切都“看上去很美”,直到张远波读到新一期《Science》上,英国曼彻斯特大学Andre Geim课题组的论文,对方抢在前面,做出了石墨烯。Geim和他的博士生Novoselov,甚至因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

“他们制备石墨烯的方法粗糙但有效,就是拿文具店里能买到的胶带去粘石墨,再去找有没有粘下来石墨烯。和‘纳米铅笔’比,我们是很精确地控制一个“笔尖”,他们是不精确地控制很多个,他们的方法胜出了。”张远波回忆道,“看到论文之前,我们完全不知道他们在做类似的工作,我和我的导师都非常沮丧。他当时正在申请长聘教授,还安慰我说,你总是能毕业的,我倒是那个真正要担心的人。”

但打击之后,研究还要继续。张远波发现,对方虽然做出了石墨烯,但样品质量不高。凭借之前“纳米铅笔”的经验,可以继续优化制备方法,甚至从中发现新的物理。“当时实验室有几种来源的石墨,我们选定了一种认为最好的,但做出的石墨烯一直难以提升质量,后来突然想起,之前还买过另外一种石墨,尽管觉得它更‘脏’一些,还是试试看。没想到做出来在磁场中一测,样本的电阻是0,当时第一反应是,样本坏了,检查了一遍再测还是0。反复确认之后,我发现样品没有坏;这其实是一个全新的物理现象‘半整数反常量子霍尔效应’。赶紧存下数据发给导师,特别开心,我们终于做出了质量高很多的石墨烯。这让故事的结局还算圆满,Philip拿到了终身教职,我也顺利毕业。”

今天回忆起“纳米铅笔”和之后的柳暗花明,张远波颇为感触:“做实验的时候一定要有冷静的判断。实验的“美”有它自己的规律,而不是凭自己的喜好或想当然所认为的精美或者粗糙。物理世界里,如果太偏执于自己的想当然,就会走很多弯路。”

张远波在复旦科普活动上讲述他的工作

二维材料的“新主角”

自从可以被真正“造”出来,石墨烯一跃成为全世界科学家关注的焦点,它被发现有一系列独特的性质:完全透明,非常坚硬,导电性超过铜和银,导热性是是已知材料中最高的之一……

然而,石墨烯没有“能带间隙”。这就意味着,它无法像硅一样借由通电和断电表示“0”和“1”,无法制成晶体管,用石墨烯提升芯片密度的希望落空了。

但石墨烯仍为人类推开了一扇大门。和它一样由单层原子构成的新材料被称为二维材料。石墨烯不行,其他的二维材料行不行呢?对这些材料的探索,成为凝聚态物理中最活跃的领域之一。

张远波和谭砚文结了婚,作为实验物理学家,他们为参加婚礼的朋友们准备了特别的礼物:蚀刻着朋友们名字的香槟杯。“穷学生嘛,杯子都是用最便宜的,我们俩自己买材料,自己动手刻。家里没地方,要等到夜里实验室里大家都走了,偷偷开工……”科学家,有科学家自己的办法。

2011年,夫妻俩回到上海,从同学成了复旦大学物理系的同事。张远波也将目光投向了新的二维材料。

现在已经大名鼎鼎的黑磷就是舞台上的新主角之一。这本是一种已经被发现了一百多年的“老”材料,但被制成二维黑磷后,它体现出优秀的性能:作为半导体,黑磷有能带间隙,可以表示“0”和“1”,还有良好的电子迁移率,这个参数决定了半导体器件的响应速度。“晶体管不光要能表示‘0’和‘1’,还要有好的响应速度,如果电子迁移率太低,响应速度太慢,一样没办法用来做芯片。”2014年,张远波与中国科技大学教授陈仙辉合作的二维黑磷场效应晶体管,成为国家基金委的“年度十大成果”之一。

张远波也在研究磁性二维材料。磁性意味着二维材料可以更稳定,也意味着它有可能扮演信息时代的另外一个重要角色――存储。“为什么有磁盘这个名字,实际上就是因为信息存储是利用了磁性。如果将信息存储也缩小到原子尺度,美国物理学家费曼做过一个估算,假设125个原子编码一个字符,那么储存人类有文字记录产生的全部信息,只需要一颗灰尘那么大的空间。”如果人们能够在如此微观的尺度下操控和控制物质,世界的变化将远超想象。

“但是,我从来不想给人印象,黑磷就会取代硅,或者二维磁性材料很快就能用上。在这条路上,决定新材料有没有用的不是它的优点,反而是它的缺点。比如成本、工艺难度。凝聚态物理学家探索新材料,找到那些存在应用可能性的新面孔,但这不代表产业化应用就一定能成功。”张远波说。

张远波和他的科研团队

淘宝找来的“高精尖”

在常以纳米作为计量单位的二维材料世界里,一根头发丝大如一座珠穆朗玛峰。

正因如此,走进张远波的实验室,一个个一人多高的巨大设备不免让人觉得意外,更意外的是,这些动辄造价以百万元计的“宝贝”,不少出自他和团队成员的亲手设计。“我们想要的设备市面上没有现成的,只能自己设计再找人来组装搭建。”

张远波在实验室

比如用于堆叠二维材料的一个自动化“机床”,甚至可以一个原子层一个原子层地组装自然界不存在的新材料。“关键就是‘机床’可以在一个超高真空的环境工作。你看有些器件是用锡箔包起来的,那是烘烤时候保温用的,为了实现和外太空差不多的真空程度,就要烤干水汽,要把它们加热到100多摄氏度,一下要烤一两天。”张远波说,这样精度的设备,不少零件居然是淘宝上找的加工中心加工出来的,这又是一个意外。“你把图纸寄给他们,过两天零件就到手了。这两年感觉特别明显,再怎么要求精度,总有厂家能实现,国内现在的工业能力真的很强大。”

不过,实验环境的高要求,实际上也说明,通向原子级芯片的路,中间还矗立着一座座等待攻克的“高山”。二维材料中的绝大部分,目前仍需要在高压、真空或者极低温度这样的极端环境下才能保持稳定。

这样的困难反而让张远波愉快又兴奋。“你会遇到全新的方向,你的实验不仅仅是验证理论,还在发现新的物理。在这个时代,在中国做研究真的很幸福,国家的财力和制造能力都足够支撑这些原本很贵的研究。如果我还在美国,不可能像现在一样有这么多的实验设备,实验室有十多个人的团队。我想这不光是我一个人的感觉。这个世纪以来,中国的凝聚态物理研究飞快发展,在不少方向现在已经处于第一梯队。”

他也愉快地享受着生活的乐趣。妻子谭砚文和他在同一层楼办公,周末两人的习惯颇有文艺青年风范,在市中心寻找别致的咖啡馆,一边喝咖啡一边工作。他们也在上海“发掘”出不计其数的美味餐厅。“有时系里同事要请人吃饭,还来问我们的意见。不过自从儿子出生后,这种机会又越来越少了。”张远波说,尽管他和妻子只是偶尔讨论各自的研究,但科学家伴侣最大的好处是彼此高度的理解和同理心,“你们都明白,对方会因为什么感到挫折,也知道怎么打气最有用,而且可以毫无保留地分享对世界的看法。”

张远波一家

张远波说:“问题在哪里我们的路就在哪里,碰到什么难题我们就去解决什么难题,需要造新的仪器就去造新的仪器,需要学新的物理就去学新的物理。这个时代给予了实验物理很大的自由度,我还蛮喜欢这种工作方式的。”

张远波的儿子今年刚刚5岁。如果他将来也想做物理学家?“那太好了!希望适合他。”张远波不假思索,“对我来说,世界上再没有更好的职业。”

张远波和他5岁的儿子

本文经授权转载自微信公众号“科技探索奖”。