□王 涵

科學研究不能墨守成規(guī)，有時候反其道而行之的科研思維，可能會為科學研究打開一個新的局面?！安蛔邔こＢ贰钡母独诰褪沁@樣一位“有想法”的科研人。

21世紀初，石墨烯橫空出世，以其為代表的二維原子晶體因優(yōu)越的電子傳輸性能、光學特性等得以在諸多領域表現(xiàn)出誘人的應用前景。然而，若要進一步發(fā)展二維原子晶體的基礎研究、推動其應用進程，實現(xiàn)二維原子晶體的可控生長是必經(jīng)關隘。

十幾載求是，科研路上勇攻堅。以電子信息、能源領域的應用需求為導向，武漢大學化學與分子科學學院教授付磊聚焦于碳納米管、二維原子晶體及其異質結的可控生長和組裝，建立新型的適宜于器件應用的材料生長方法。通過不斷嘗試與探索，近年來，他與科研團隊獨辟蹊徑，利用液態(tài)金屬的特殊性質，發(fā)展出一系列有特色的化學氣相沉積（CVD）方法，在二維原子晶體及其異質結的可控生長、組裝與轉移方面取得了一系列原創(chuàng)性成果。

堅定方向，深入探索石墨烯

科研是一個探索未知的過程，需要與不確定性長期共處。在付磊看來，在科研領域探索未知的樂趣是一直存在的，重要的是能正確選定自己一生甘愿奮斗的方向。

2001年，付磊從武漢大學本科畢業(yè)后來到了中國科學院化學研究所，師從劉云圻院士、朱道本院士攻讀博士學位。付磊在博士期間的研究是基于碳納米管開展的，他發(fā)展了碳納米管的可控包覆和修飾方法，構筑了一系列創(chuàng)新性的原型電子器件。博士畢業(yè)后，他赴美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室繼續(xù)從事碳納米管方面的研究工作，研究重心從電學性能轉變?yōu)榱W性能。2008年，付磊加入北京大學劉忠范院士團隊擔任副研究員。當時，劉忠范院士團隊也在從事碳納米管相關的研究工作，該如何選取自己未來的研究方向，成了擺在付磊眼前的一個非?，F(xiàn)實的問題。是該承繼之前碳納米管的工作，還是另選新題，他陷入了深深的思考。

“可控才有真正的未來，不可控就只能停留在實驗室研究的階段，隨著結構的變化，碳納米管既可以是金屬性的，也可以是半導體性的，這是件好事，也是一件壞事，其劣勢在于如果無法控制碳管的結構（手性），就難以誕生撒手锏級應用。”付磊說。石墨烯與碳納米管都是由sp2雜化的碳原子組成的，兩者有著類似的應用領域，但是石墨烯沒有碳納米管的手性控制問題，也許石墨烯是個不錯的研究方向。彼時，在中國還鮮少有科研人員從事石墨烯的可控生長研究，在劉忠范院士的支持下，付磊便開始在這一方向上進行不遺余力的探索，他所發(fā)展的偏析生長方法實現(xiàn)了晶圓級石墨烯的制備，所提出的二元合金策略首次實現(xiàn)了嚴格單層石墨烯的生長。然而，他們發(fā)現(xiàn)所制得的單層石墨烯的電學性能不佳，背后的原因困擾了付磊很久。

“工欲善其事，必先利其器?！本哂性蛹壏直媛屎透鞣N分析功能的球差校正透射電鏡是深入研究石墨烯微觀結構的利器。2011年國內尚缺乏這類儀器，于是付磊前往德國萊布尼茨固態(tài)和材料研究所開展了合作研究，利用球差電鏡他發(fā)現(xiàn)，通常方法看起來完美無瑕的石墨烯就像袈裟一樣，是由很多納米級的“破布頭”拼接而成的，這也是為什么其電子輸運性能不佳，遠不及理論預期的原因。

獨辟蹊徑，建立液態(tài)金屬生長體系

得益于這段在德國的研究經(jīng)歷，付磊明確知道了困擾自己研究的關鍵所在，他堅定了要可控生長高質量石墨烯單晶的決心，這也成了他科研道路的轉折點。2012年，付磊全職加入武漢大學化學與分子科學學院，創(chuàng)建了先進納米材料實驗室（LAN），開始獨立帶領團隊致力于石墨烯等二維原子晶體的可控生長及應用研究。

采用CVD法生長二維原子晶體需要依托于催化劑襯底，而催化劑的表面形貌與結構會影響其上生長的二維原子晶體。傳統(tǒng)使用的固態(tài)金屬催化劑并不是完美的單晶，其表面存在著晶界、疇區(qū)等多種缺陷，這些缺陷會導致二維原子晶體的不均勻成核及生長。故而如何降低催化劑表面的缺陷，成了諸多科學家努力的方向。

付磊帶領其研究團隊從另一個研究角度出發(fā)，開始了全新的開拓?！凹热粚⒋呋瘎┑娜毕菝芏冉档蜑榱闶遣豢赡艿?，倒不如反其道而行之，選用一個滿是缺陷的表面——液態(tài)金屬表面來實現(xiàn)二維原子晶體的均勻生長。”付磊說。液體金屬表面是沒有晶格的，其中的金屬原子進行著熱遷移，原子團簇間不斷發(fā)生著重組，就像我們日常看到的湖水一樣，每一滴水在湖面上的位置都是動態(tài)但又不可區(qū)分的。而付磊團隊正是利用了這樣一個無序但均勻的表面來生長石墨烯，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，在液態(tài)金屬表面石墨烯的生長遵循嚴格的自限制生長行為，很容易就能獲得嚴格均勻的單層石墨烯，而且對生長參數(shù)的差異容忍度很高，更重要的是，其晶疇較之固態(tài)基底上生長的石墨烯大了不少。而這僅僅是一個美妙的開始，依托著液態(tài)金屬具有流動性的特點，付磊團隊實現(xiàn)了二維原子晶體在液態(tài)表面的自組裝，獲得了首個超有序的二維單晶陣列結構；依托于液態(tài)體相能包埋異質原子的特點，二維原子晶體的體相傳質生長機制被觸發(fā)，他們實現(xiàn)了二維原子晶體單晶的伴生生長，獲得了100%堆垛、界面清潔的二維原子晶體異質結。

但付磊并不滿足僅僅在實驗室實現(xiàn)二維原子晶體的可控制備，液態(tài)金屬基底用于生長二維原子晶體是否具有可放大性呢？這是付磊一直很在意的問題，終于他從一項制備浮法玻璃的傳統(tǒng)技藝中得到了啟發(fā)。在池子中倒入液態(tài)金屬銦，能形成一個均勻的液態(tài)表面；然后融化的玻璃原料像水一樣流入液池且自發(fā)鋪展，由于密度差異，玻璃液就會非常均勻地鋪展在液態(tài)金屬表面，隨之進行冷卻凝固，即可獲得表面平整的大塊玻璃，這與付磊團隊在液態(tài)金屬表面進行二維原子晶體的大面積生長有異曲同工之妙。

做好生長只是第一步，若要將二維原子晶體用于構筑各類電子器件，還需要發(fā)展一種高效、潔凈、無損的轉移方法將其從生長的金屬基底轉移到各類絕緣基底上，滿足不同的應用需求。在研究中，付磊團隊利用液態(tài)金屬在熔融狀態(tài)下原子具有可易位性的特點，將液態(tài)金屬上生長的石墨烯等二維原子晶體直接滑移到了目標襯底上，這個過程像用鉛筆在紙上寫字一樣迅速，而且由于整個轉移過程不涉及聚合物轉移媒介，轉移后的二維原子晶體表面十分潔凈。如果將這種新型的滑移方法集成于液態(tài)金屬浮法制二維原子晶體的工藝中，有望實現(xiàn)二維原子晶體的超大面積制備和快速無損轉移，繼而有望推進其在電子器件領域的應用進程。

付磊

從零開始，走自己的科研路

萬事開頭難。付磊只身前往武漢大學開展科研工作時，整個武漢大學乃至華中地區(qū)鮮少有人從事二維原子晶體的可控生長研究。在建立自己的實驗室之初，付磊面臨的最大困難就是學生對石墨烯等二維原子晶體一無所知。

在德國從事研究工作期間，付磊看到德國同行在撰寫一本關于石墨烯的專業(yè)書籍，這本書對石墨烯的基礎結構、性質、表征方法以及器件應用都介紹得十分全面系統(tǒng)，且英文表達也十分地道，可謂是研究生入門石墨烯領域的絕佳教材。當時，付磊就在想，能不能帶領學生將這本教材翻譯出來，一方面讓學生能沉下心來積累石墨烯相關的基礎知識，另一方面也能提高他們的專業(yè)英語閱讀與表達能力，還能供后續(xù)的學生乃至全國從事這一領域研究工作的人們閱讀。而那時付磊的團隊只有三個學生，翻譯一本450頁的英文專業(yè)書對于他們來說無疑壓力極大。盡管在翻譯中途，付磊無數(shù)次想過放棄，但他最終還是堅持了下來，斷斷續(xù)續(xù)花了一年半時間，這本國內首部石墨烯學術專業(yè)譯著《石墨烯：基礎及新興應用》最終于2015年由科學出版社出版發(fā)行，如今已重印多次，并在領域內獲得了很好的口碑。

從零開始，付磊已經(jīng)建立了一支近40人的科研團隊。在將先進納米材料實驗室從“小舢板”變成“大艦船”的過程中，他始終不忘初心，科研目標明確。他相信把二維原子晶體的可控合成做到極致的那一天，離其真正應用也就不太遠了。付磊也是一個極其“居安思?！钡娜?，他時刻保持著興奮的狀態(tài)，尋求著科研中的新發(fā)現(xiàn)?！耙肋h記住科研工作者是在一條波動的曲線上，在一個小頂點上停留太久，忘了前行，就離下滑不遠了?！备独谌缡钦f。

魯迅先生說“世上本沒有路，走的人多了也便成了路”。走屬于自己的科研道路，雖然荒草萋萋、十分幽寂，但也顯得更誘人、更美麗。付磊堅信那些未經(jīng)人選擇的路會帶領自己走向研究的新天地，未來自己也會留下深深的足跡。