本刊記者 徐芳芳

材料科學探路者
——記南京大學物理學院教授張翼

本刊記者 徐芳芳

2011年12月攝于斯坦福大學

百萬年來，人類相繼走過舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代、鋼鐵時代……直到20世紀50年代，半導體材料開始應用和發(fā)展，人類進入信息時代。人們逐漸意識到，先進材料對于高技術(shù)發(fā)展的重要作用，于是材料科學就此誕生。

2015年，張翼入選“青年千人計劃”，回到南京大學物理學院工作，并在材料科學領(lǐng)域不斷開拓創(chuàng)新。他說：“材料科學走在人類最前面，我們要時刻保持靈敏的嗅覺，引領(lǐng)材料的發(fā)展方向，我就是一個探路者?！?/p>

知之者不如好之者

中學時期，張翼在物理學方面的天分使他脫穎而出。在高中物理老師的指導和鼓勵下，他對物理投入的學習時間越來越多，興趣也越來越濃厚。他說：“每個人都有自己的興趣，一旦發(fā)掘出來，經(jīng)過慢慢培養(yǎng)，興趣便會放大?！?/p>

在興趣的驅(qū)使下，張翼在物理學上越走越遠。他參加了高中物理競賽，一路過關(guān)斬將，最終獲得第18屆全國中學生物理競賽決賽一等獎，并被保送到北大物理系。

大學時光總是匆匆而逝，臨近畢業(yè)時，張翼也曾感到迷茫。盡管一如既往地熱愛物理，但他不確定是否應該選擇科研這條道路?！爱厴I(yè)時，班主任針對我們的性格特點，在畢業(yè)紀念冊上為每個人寫了一句寄語，他希望我成為班里的第一名院士?！?/p>

這句寄語張翼一直銘記在心，老師的期望使他對物理科學研究的追求更加堅定。2006年，大學畢業(yè)的張翼在中國科學院物理研究所繼續(xù)深造。5年時間里，他相繼獲得中國科學院物理研究所所長表彰獎、優(yōu)秀獎，中國科學院院長優(yōu)秀獎。

張翼優(yōu)秀的科研才能在博士期間便展現(xiàn)出來。他首次觀測到了拓撲Bi2Se2薄膜在厚度小于6層時，由于上下表面態(tài)耦合而產(chǎn)生的能隙打開現(xiàn)象，并對該現(xiàn)象給出了清晰的物理圖像和理論解釋。此項工作以第一作者發(fā)表在Nature Physics上，使人們對拓撲絕緣體和其相關(guān)物理現(xiàn)象的認識和理解前進了一大步，在國際上引起巨大反響，并入選2010年“中國百篇最具影響國際學術(shù)論文”。

博士畢業(yè)后，他作為美國勞倫斯伯克利國家實驗室和SLAC國家加速實驗室的聯(lián)合博士后在伯克利實驗室先進光源（ALS）從事博士后研究。

2010年12月，我國“青年千人計劃”正式啟動，這為張翼回國提供了很好的平臺。2014年5月，南京大學物理學院對張翼進行了面試。專家一致認為，他是一位接受過優(yōu)秀科學訓練和具有獨特創(chuàng)造力的年輕科學家，是拓撲量子物質(zhì)和低維材料研究領(lǐng)域年輕學者中的佼佼者，完全具備成為該領(lǐng)域?qū)W術(shù)帶頭人的成長潛力。

回國后，張翼一直籌備著新實驗室的建設及設計、購置和搭建所需要的儀器設備與原材料，進行初步的安裝與調(diào)試?！皩嶒炘O備一旦安裝完成后，我就可以圍繞這些材料繼續(xù)做研究。我一直保持著這方面的關(guān)注，經(jīng)常與做理論研究的學者交流討論，看是否有新的材料出現(xiàn)?！?/p>

行走在材料科學前沿

半個多世紀以來，傳統(tǒng)半導體工業(yè)的發(fā)展極大地改善和影響了人類生活的方方面面，并成為第三次科技革命的最典型代表之一。隨著器件尺寸的不斷縮小和集成度的不斷提高，傳統(tǒng)半導體工業(yè)早已面臨著高功耗、低效率、量子尺寸限制等種種問題。人們迫切需要全新的理念來對傳統(tǒng)半導體工業(yè)進行革新。

“自從石墨烯研制出來，很多二維材料也出來了。人們發(fā)現(xiàn)當物質(zhì)從三維降低到二維或者更低的維度時，其電子結(jié)構(gòu)等物理特性會發(fā)生極大的變化并產(chǎn)生許多非常有趣的物理現(xiàn)象。它有著許多應用前景，在研究方面也延展出一個新的方向，即通過研究新材料的物理性質(zhì)，看看有沒有可能在電子學或者其他可以想象的器件上有應用前景，而以前只是將各種材料組成單晶，或者探索不同的新材料。這是一個非?；A和前沿的課題。”

研究新型量子材料在量子限制效應下的新奇物理現(xiàn)象，探索和控制多種量子材料與低維材料組合后的新結(jié)構(gòu)、新物態(tài)與新功能是張翼的主要研究興趣。他主要運用分子束外延技術(shù)和角分辨光電子譜技術(shù)，再結(jié)合其他技術(shù)和測量手段。

“分子束外延技術(shù)的歷史比較悠久，它的一個重要特點是在超高真空環(huán)境下進行，相對于其他材料生長技術(shù)來說，得到樣品的純凈度和質(zhì)量是最高的。而角分辨光電子譜技術(shù)的最基本原理就是愛因斯坦的光電效應，光打到物質(zhì)上，就會激發(fā)出電子。打出電子的數(shù)量、飛行角度和速度包含了它的強度、動量及能量等豐富的信息。因為入射光子的能量和偏振狀態(tài)都是可以確定的，電子出來的狀態(tài)也可以通過能量分析器來確定，通過量子力學復雜的公式計算后就可以反推出電子在材料內(nèi)部的具體狀態(tài)，以及電子在材料內(nèi)部與其他粒子的相互作用等信息，這就是所謂的材料電子結(jié)構(gòu)?！?/p>

博士后期間，張翼在美國勞倫斯伯克利國家實驗室先進光源的角分辨光電子譜線站上獨立設計并搭建了一套原位的分子束外延生長系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，他首次成功制備了大面積高質(zhì)量二維過渡金屬硫化物MoSe2單晶薄膜，薄膜的高質(zhì)量確保了他能夠通過原位的角分辨光電子譜得到非常清晰和明確的電子結(jié)構(gòu)，并給出了能帶結(jié)構(gòu)、帶隙類型隨著層厚變化而演化的直接實驗證據(jù)。高質(zhì)量單層MoSe2的制備為將來進一步的光學特性研究、輸運性質(zhì)研究和器件制備提供了材料基礎。該成果以第一作者發(fā)表在2014年的Nature Nanotechnology上。

此外，通過分子束外延技術(shù)，張翼首次實現(xiàn)了拓撲半金屬Na3Bi單晶薄膜的生長。該薄膜的成功制備為將來通過原位覆蓋惰性保護層，從而實現(xiàn)樣品在大氣環(huán)境中進行轉(zhuǎn)移和測量提供了可能和實驗基礎,同時也為相應的薄膜器件制備提供了材料基礎。該成果以第一作者發(fā)表在2014年的Applied Physics Letters上。

在創(chuàng)新路上永不停步

開展新材料的低維可控生長并結(jié)合原位物性測量研究，不僅需要對分子束外延、角分辨光電子譜、掃描探針顯微鏡等大型聯(lián)合儀器設備進行設計和搭建，還要具備相關(guān)大型儀器高水平使用、維護的經(jīng)驗和能力。

張翼總結(jié)道：“從事科研，我覺得最重要的是不斷學習的能力，不斷地接受新事物。從事我們這行研究，學的東西很多很雜，所以有需要就得學，這是最基本的技能?！?/p>

除了在技能上不斷學習，張翼認為，一個合格的科研工作者必須要有足夠的好奇心?！案鱾€方面的知識都要弄明白，強烈的求知欲才能夠支持你一直做下去?！边@也是他對團隊成員的要求之一，“人類最前沿的探索走到了哪一步？我還能往前走多遠？如果沒有這樣的想法，進入研究組很難做出很大的貢獻?！?/p>

雖然回國不久，張翼早已對未來做好了規(guī)劃。他告訴記者，開發(fā)新材料、新結(jié)構(gòu)，研究和理解材料的物性并對其進行精細控制，制備基于新穎物理原理的電子、光電子、自旋電子及新能源器件，是我國突破高技術(shù)瓶頸、趕超發(fā)達國家的關(guān)鍵。

“我的研究思路是通過發(fā)展一套具有國際頂尖水平的分子束外延技術(shù)，來實現(xiàn)高質(zhì)量的具有特殊結(jié)構(gòu)的量子材料、低維和納米材料的精細可控生長；然后利用高水平的角分辨光電子譜、掃描探針顯微鏡、電輸運測量等一系列先進的原位測量手段，來對樣品的生長動力學、電子和自旋結(jié)構(gòu)等一些物理特性進行探測和研究。通過對新材料的生長動力學、物理現(xiàn)象和機制的理解和掌握，反過來進一步改進和發(fā)展相關(guān)新材料的生長制備技術(shù)。進而期望實現(xiàn)一系列科學上的重大發(fā)現(xiàn)和技術(shù)上的重大突破，開發(fā)出一系列全新的量子材料，并為國家打破國外在半導體工業(yè)的壟斷地位、在相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的突破奠定堅實的物理基礎?！?/p>

新型材料未來的發(fā)展方向如何？張翼也無法給出答案，他說：“半導體出現(xiàn)以前，誰也想不到半導體會有這么大的發(fā)展。哪一個未來可能成為革命性的材料，誰也不能確定。這是一個充滿未知的科學領(lǐng)域，你完全不知道會發(fā)現(xiàn)什么，只能根據(jù)實驗結(jié)果來看，重要的實驗往往都是意料之外的發(fā)現(xiàn)?！睉{借著深厚的實驗功底與實驗技能，獨到的觀點和想法，張翼在未來將創(chuàng)造無限可能。