專家簡介：

呂勁，1992年畢業(yè)于北京大學(xué)信息管理系，獲學(xué)士學(xué)位，1997年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，獲博士學(xué)位，現(xiàn)為北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)與材料物理研究所和人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理實驗室副教授、博士生導(dǎo)師。長期從事低維碳基功能納米材料及其類似物的第一性原理計算研究。在納米碳管的選擇性吸附理論和石墨烯能隙的無損打開等領(lǐng)域做出了突出的貢獻。2008年入選教育部新世紀(jì)人才，2009年獲得北京大學(xué)鐘盛標(biāo)教育基金科研獎。發(fā)表SCI論文120多篇，在頂級刊物上有21篇，其中NPGAsia Materials 1篇，Scientific Peports 5篇，Nano Letters 2篇，Advanced Materials 2篇，Journal of the American Chemical Society 6篇，ACS Nano 1篇，Angewandte Chemie 1篇，Small 2篇，Physical Review letters 2篇，Chemistry of Materials 1篇。研究工作被《自然·亞洲材料》加以專題介紹。

人類的科學(xué)起源于計算，最早的計算就是算數(shù)，它是“人類把自己從對大自然的恐懼中解救出來的第一個方法”。計算科學(xué)的嚴(yán)格定義是一個與數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、定量分析方法以及利用計算機來分析和解決科學(xué)問題相關(guān)的研究領(lǐng)域，計算材料學(xué)作為計算科學(xué)的一大分支，頗為古怪，它是一個高度交叉的學(xué)科——數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、計算機……此領(lǐng)域的研究者需游走于各領(lǐng)域，汲取相關(guān)知識并融匯到一起，集各學(xué)科的知識于一身。北京大學(xué)的呂勁就是這一領(lǐng)域具代表性的人物之一。

1992年，呂勁考入北京大學(xué)物理系，師從著名物理學(xué)家章立源教授，開始了計算材料學(xué)的生涯。章立源教授以嚴(yán)格要求學(xué)生出名，培養(yǎng)了包括中科院院士、北京大學(xué)校長王恩哥在內(nèi)的一批優(yōu)秀的物理學(xué)家。在5年的研究生學(xué)習(xí)中，打下了堅實的基礎(chǔ)。2001年，呂勁獲得日本學(xué)術(shù)振興會的資助，來到位于日本中部岡崎市的日本分子科學(xué)所，跟隨享譽國際理論化學(xué)家界的永瀨茂教授進行了兩年博士后的研究，開始進入了計算材料學(xué)的前沿，實現(xiàn)了學(xué)術(shù)水平的第一次騰飛。2006年，呂勁應(yīng)梅維寧教授邀請，在美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)做了一年的訪問，對西方的科學(xué)研究精神有了進一步的了解，實現(xiàn)了學(xué)術(shù)水平的第二次騰飛。

計算材料學(xué)是連接材料學(xué)理論與實驗的橋梁。納米材料領(lǐng)域，具有優(yōu)異的物理性能的碳基納米材料以及它們的類似物一直扮演著舉足輕重的角色，它們是構(gòu)造納米電子器件，光電子器件和自旋電子器件的重要材料。從1985年零維的C₆₀，到1991年一維的納米碳管，再到2004年二維的石墨烯，每一次碳材料“家族”新成員的發(fā)現(xiàn)都會給材料研究帶來巨大的沖擊。石墨烯的發(fā)現(xiàn)還是第一次把二維材料展現(xiàn)在世人面前，由此開辟了一個全新的研究維度。

石墨烯雖然有極高的載流子遷移率，有可能在未來的電子器件中取代現(xiàn)在的硅。但遺憾的是，石墨烯本身沒有能隙，不是理想的半導(dǎo)體材料，不能做高開關(guān)比的晶體管。因此打開石墨烯的能隙又不損失高的載流子遷移率成為石墨烯研究的最主要的課題之一。面對這一挑戰(zhàn)，呂勁教授的課題組進行了創(chuàng)新性探索，其卓爾不群的研究成果受到了同行專家的廣泛關(guān)注。

利用三明治結(jié)構(gòu)打開石墨烯能隙

石墨烯是個復(fù)式晶格，由兩個完全等價的子格子構(gòu)成。打開石墨烯能隙的關(guān)鍵是要破壞石墨烯AB子格子的對稱性。六角氮化硼片晶格尺寸與石墨烯基本匹配，但氮與硼的化學(xué)勢不同，當(dāng)這兩種材料復(fù)合在一起，石墨烯的AB格子對稱性將受到破壞。呂勁教授提出把單層石墨烯置于兩個氮化硼片之間，由于增強了子格子的不等價性，可以打開石墨烯0.16eV的能隙。如果在BN/石墨烯/BN復(fù)合結(jié)構(gòu)加上垂直電場，能隙可以進一步提高到0.34eV。由于BN是平坦的結(jié)構(gòu)（常用的不規(guī)則的SiO₂襯底會帶來額外的散射，降低石墨烯的載流子遷移率），且與石墨烯是弱的范德瓦耳斯作用，石墨烯的狄拉克錐基本不受破壞，石墨烯的高遷移率在能隙打開后仍然可以維持。僅僅做能帶計算是不夠的。呂勁的課題組又進行了第一性原理的器件模擬。模擬顯示基于此三明治結(jié)構(gòu)的雙門場效應(yīng)管電流開關(guān)比相比純單層石墨烯場效應(yīng)管大8倍。相關(guān)工作2012年發(fā)表在Nature子刊《NPG Asia Materials4，e6；doi：10.1038/Am.2012.10》上。文章第一作者屈賀如歌是呂勁教授指導(dǎo)的博士生，已經(jīng)收到麻省理工學(xué)院、牛津大學(xué)、劍橋大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工等世界頂級名校合作培養(yǎng)博士的邀請。

硅烯存在可調(diào)能隙

硅烯是石墨烯的硅類似物，最近在實驗上已經(jīng)有了很大進展。比起石墨烯，硅烯與現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝可能更加容易切合。但硅烯走向電子器件應(yīng)用面臨與石墨烯同樣的問題，即沒有能隙。雖然平坦結(jié)構(gòu)單層石墨烯在垂直電場作用下不能打開能隙，呂勁教授發(fā)現(xiàn)具有起皺結(jié)構(gòu)的硅烯可以被垂直平面的電場打開能隙并且打開的能隙隨電場強度線性增加，同時狄拉克錐結(jié)構(gòu)基本不受破壞，高的載流子遷移率也能夠保持。利用非平衡格林函數(shù)方法證明了硅烯制成的雙門場效應(yīng)管電流開關(guān)比是無電場時的8到50倍。該工作是國際第一次提出硅烯存在電場可調(diào)控的能隙，發(fā)表在材料領(lǐng)域的頂級雜志《Nano Letters 12，113（2012）》上。該文章發(fā)表后在國際上產(chǎn)生了強烈的反響，一年多來，已經(jīng)被各種雜志引用了30次。

電場調(diào)節(jié)硅烯能隙的主要問題是在實驗可達(dá)到的電場強度，打開的能隙太小（不超過0.1 eV）。考慮單面吸附也可破壞硅烯的子格子的對稱性，呂勁教授緊接著又提出一種新的打開硅烯能隙的方案，即利用吸附無損打開硅烯的能隙。計算表明在硅烯上單面吸附堿金屬原子能夠打開能隙。能隙的大小可以通過改變吸附濃度加以調(diào)節(jié)，最高可以達(dá)到0.5eV，同時可以保有硅烯高遷移率。通過對鈉原子吸附的硅烯場效應(yīng)管模型的量子輸運模擬顯示該器件的開關(guān)比可高達(dá)10⁸，滿足高表現(xiàn)邏輯器件的需要。相關(guān)工作最近發(fā)表在自然出版集團的新刊《scientific Reports 2，853；DOI：10.1038/srep00853（2012）》上。開發(fā)量子輸運程序ATK的Quantum Wise公司在其網(wǎng)站上，給出了介紹石墨烯和硅烯能隙打開工作的手冊，其中所引用的文獻很大一部分出自呂勁課題組。

石墨烯射頻器件的表演極限探索

較小的開關(guān)比阻礙了純石墨烯場效應(yīng)晶體管做邏輯器件，但不妨礙利用它的高載流子遷移率做射頻器件（因為射頻器件不需要大的開關(guān)比）。要取得高的射頻器件截止頻率，一般要把溝道做短，目前實驗上石墨烯場效應(yīng)管的溝道長度最小已做到40nm得到的射頻器件的最大截止頻率（射頻器件性能表現(xiàn)的重要參數(shù)之一）為1太赫茲。但在極端的亞10納米尺寸上截止頻率是否會隨溝道減小繼續(xù)提高并不明確（例如GaAs在溝道短于20納米時候，截止頻率會變?。?。呂勁教授課題組第一次進行了亞10納米石墨烯晶體管的第一性原理模擬。發(fā)現(xiàn)它們的截止頻率依然隨溝道長度減小反比增大（即不受短溝道效應(yīng)的影響），可高達(dá)幾十太赫茲。如果此時利用六角硼氮片夾單層石墨烯或?qū)﹄p層石墨烯場施加電場打開石墨烯能隙，輸出特性曲線會出現(xiàn)非常明顯的電流飽和性質(zhì)，這將大大提高石墨烯射頻場效應(yīng)管的電壓贏得和最大震蕩頻率，同時太赫茲以上的截止頻率依然能得到保持。相關(guān)工作發(fā)表在《scientificReports 3，1314（2013）；doi：10.1038/srep01314》上。

比起三維的塊材，一維的納米管和納米線，以及零維的團簇體系，二維原子晶體，是研究的最少的一個維度。以石墨烯為代表的二維原子晶體正成為計算材料研究的一個主要對象，國際競爭十分激烈，幾乎到了白熱化的地步。在石墨烯的研究上，中國科學(xué)家總體上落后了一步，但在硅烯的研究上，中國與國際先進水平大體同步。另外一個典型的二維原子晶體石墨炔還是中國科學(xué)家中科院化學(xué)所李玉良研究員最先合成的，而呂勁教授的課題組最先計算了石墨炔的精確的準(zhǔn)粒子能帶，得到了精確的能隙為1.1eV，而先前的密度泛函理論算出的能隙只有0.5eV左右。然后他們又用多體理論計算了石墨炔的電子吸收譜，發(fā)現(xiàn)電子吸收主要是由激子決定的，理論結(jié)果得到了李玉良研究員實驗上的支持，文章發(fā)表在《PhysicalReview B 84，075439（2011）》上，已經(jīng)被各種雜志引用了30次。

懷著“工作乃天職”的使命感，呂勁教授的課題組將繼續(xù)在二維原子晶體的計算研究上不斷開拓進取，追求卓越。