撰文/王懿霖 攝影/袁麗

REPORTER'S

NOTES

人物素描

經(jīng)過了一個暑期的沉淀，校園里又熱鬧起來。早晨8點剛過，記者來到了天津大學(xué)化工學(xué)院?！斑@些設(shè)備都是我們自己設(shè)計建造的。”實驗室內(nèi)，一位老師一邊指導(dǎo)學(xué)生，一邊指著正在運(yùn)行中的設(shè)備對記者說。

這位老師名叫王拓，今年40歲，是天津大學(xué)化工學(xué)院的教授、博士生導(dǎo)師。王拓的科研項目圍繞“薄膜的氣相沉積”展開，其主要應(yīng)用是芯片制造與光解水制氫。

前一段時間，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)青年科技人才培養(yǎng)和使用的若干措施》，有針對性地出臺了一些支持青年科技人才成長發(fā)展的“硬舉措”，包括加強(qiáng)思想政治引領(lǐng)、強(qiáng)化職業(yè)早期支持、突出大膽使用、促進(jìn)國際化發(fā)展、構(gòu)建長效機(jī)制等多個方面。

黨的十八大以來，我國青年科技人才規(guī)?？焖僭鲩L，據(jù)統(tǒng)計，在2012年至2021年期間，我國研究與試驗發(fā)展人員數(shù)量由416.7萬人增長到858.1萬人，增加441.4萬人，年均增長7.67%。同期，自然科學(xué)領(lǐng)域博士畢業(yè)生總?cè)藬?shù)超過45萬人，年均增長率4.73%。近年來，我國博士后每年進(jìn)站人數(shù)都超過2.5萬人，其中80%集中在自然科學(xué)領(lǐng)域。國家重點研發(fā)計劃參研人員中，45歲以下占比達(dá)80%以上。國家自然科學(xué)獎獲獎?wù)叱晒瓿扇说钠骄挲g已低于45歲。

“教授”越來越年輕，對于這一點記者感受頗深。在“高端訪談”這個欄目開設(shè)之初，受訪的主角大部分是奮斗多半生的“老專家”。而這幾年，記者采訪的“70后”和“80后”比例越來越高，甚至在許多項目中“90后”也正在獨(dú)自挑起大梁。

1987年，由錢學(xué)森等老一輩科學(xué)家提議設(shè)立的“中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會青年科技獎”是目前“中國青年科技獎”的前身，旨在造就一批進(jìn)入世界科技前沿的青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人，表彰獎勵在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步和科技創(chuàng)新中取得突出成就的青年科技人才。

今年年初，王拓就獲此殊榮。

“現(xiàn)下國內(nèi)的科研氛圍非常好，大家都在努力，我想我獲獎是因為我所研究的比較契合目前的發(fā)展方向，而且更側(cè)重于實際應(yīng)用?！彪x開實驗室，王拓邊走邊對記者說，“做化工專業(yè)最重要的就是解決生產(chǎn)制造中的實際問題?！?/p>

“解決實際問題?！甭犉饋硎且粋€再普通不過的“小”目標(biāo)，可在科研過程中，這幾乎可以稱為“夢想”。許多科研人員奮斗一生，也許都出不了一件成果。對此，王拓也十分認(rèn)同，他坦言，“科研中的變數(shù)實在太多了?！?/p>

王拓目前努力的方向是芯片制造和光解水制氫，當(dāng)被問到“選擇這兩個領(lǐng)域是因為它們比較熱門”時，王拓笑著對記者搖了搖頭，然后講起了自己的經(jīng)歷。

2010年，王拓從美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校博士畢業(yè)，隨后便進(jìn)入到美國一家半導(dǎo)體設(shè)備集團(tuán)工作。“這是一家全球排名十分靠前、專業(yè)做半導(dǎo)體設(shè)備的公司，而我的主要工作是做薄膜沉積研發(fā)?！蓖跬卣f，之所以留在美國工作，是因為那時國內(nèi)并沒有類似的平臺，“我在學(xué)校時就一直在做這方面的學(xué)習(xí)和研究，要‘轉(zhuǎn)行’的話確實不太甘心。”為了學(xué)以致用，王拓留在了美國，但是那段時間他總覺得不踏實，“就是沒有歸屬感吧，心里無時無刻都在想著回國、回家?！奔m結(jié)了大概一年左右的時間，王拓還是決定遵從自己的內(nèi)心，辭職回到國內(nèi)，回到他的家鄉(xiāng)天津。

“回來了就踏實了?！蓖跬鼗貞浾f，對于國內(nèi)平臺的選擇，他沒有絲毫猶豫，“天大是首選更是唯一的選擇，什么身份啊、待遇啊，都沒考慮過，回來做普通教師也好?！?/p>

相比自己的發(fā)展前路，王拓其實更在意科研方向?；貒?，他發(fā)現(xiàn)國內(nèi)在芯片化工領(lǐng)域的研究熱情不高，大部分企業(yè)還在依賴進(jìn)口?！翱蒲凶钪匾倪€是應(yīng)用，在當(dāng)時那種情況下，我就必須得換個出口，因為技術(shù)不能荒廢了?！庇谑?，王拓將目光瞄準(zhǔn)到新能源領(lǐng)域?！奥犉饋砗孟駜蓚€關(guān)系不大，但其實都會用到我所研究的半導(dǎo)體薄膜?！蓖跬叵蛴浾呓榻B說，利用化工的技術(shù)手段制作出的半導(dǎo)體薄膜，不僅可以應(yīng)用到集成電路芯片上，還可以用于太陽能電池，“在太陽光的照射下，半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)生電子和空穴，我們可以通過氧化還原反應(yīng)將水分解為氫氣和氧氣，這種綠色的制氫方法未來也許會成為一個重要的能量來源途徑。”除了開發(fā)綠色能源，王拓還帶領(lǐng)團(tuán)隊邁向二氧化碳還原技術(shù)，“畢竟要實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)，僅靠新能源還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，二氧化碳的循環(huán)利用也是十分必要而且重要的?！?/p>

潛心耕耘，靜待花開。10年間，王拓認(rèn)準(zhǔn)自己的目標(biāo)，風(fēng)雨兼程，義無反顧。在談及科研期間難忘的經(jīng)歷時，王拓思考了一下，“每個項目都有難點，現(xiàn)在回憶起來那些場景依然歷歷在目，不過這在科研過程中都是家常便飯。”說著，他笑著用手摸了摸頭，“你看，我這頭發(fā)就是熬夜寫項目申請書熬白的?！?/p>

正如王拓所說，科研中的變數(shù)實在太多了，但好在他始終堅持自己，并沒有受環(huán)境影響而迷茫。“大家都知道，后來由于美國的對華限制，國產(chǎn)芯片急需破局，甚至到現(xiàn)在好多人還以為這是電子信息領(lǐng)域的問題，其實真正卡住的很多是化工領(lǐng)域的技術(shù)?！币欢螘r間以來，許多芯片制造企業(yè)的主管找到王拓，他們非常著急，有的甚至連生產(chǎn)線都停了，只等著王拓為他們出方案、出技術(shù)?！八麄兘o我們下了‘命令’，每個時間節(jié)點要完成什么，列得非常清楚，壓力大也沒辦法，困難時期，大家一起上吧?！苯鉀Q實際問題，是王拓的目標(biāo)理想，所以無論有多難，他也會義無反顧。更或許，在他的選項里就沒有“放棄”這兩個字，他說，堅韌、抗壓是一個科研人員應(yīng)該具備的基本素質(zhì)。

言談中，記者總能感受到王拓身上的樂觀和自信，說起困難他總是一笑而過，說起前景他難掩興奮。無論環(huán)境如何變化，無論經(jīng)歷多少失敗，他從未放棄，因為他堅信科學(xué)，更堅信自己。

EXCLUSIVE

DIALOGUE

獨(dú)家對話

記者：很多人以為芯片是電子信息技術(shù)，但其實它與化工關(guān)系也非常緊密，您能簡單介紹一下嗎？

王拓：芯片的制造是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要微電子、物理、機(jī)械、材料、化學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)。而對于芯片制造來說，其本質(zhì)上運(yùn)用的很多是化工技術(shù)，例如沉積、蝕刻。

制造芯片可以理解為在晶圓片上不斷累加圖案，這些圖案縱向連接，可達(dá)100多層，大概包含數(shù)百個步驟，而其中最為關(guān)鍵的大概有以下幾個，沉積是制造芯片的第一步，通常是將材料薄膜沉積到晶圓上。材料可以是導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體；光刻膠涂覆，進(jìn)行光刻前，首先要在晶圓上涂覆光敏材料“光刻膠”或“光阻”，然后將晶圓放入光刻機(jī)；曝光，在掩模版上制作需要印刷的圖案藍(lán)圖。晶圓放入光刻機(jī)后，光束會通過掩模版投射到晶圓上。光刻機(jī)內(nèi)的光學(xué)元件將圖案縮小并聚焦到光刻膠涂層上。在光束的照射下，光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，光罩上的圖案由此印刻到光刻膠涂層；計算光刻，光刻期間產(chǎn)生的物理、化學(xué)效應(yīng)可能造成圖案形變，因此需要事先對掩模版上的圖案進(jìn)行調(diào)整，確保最終光刻圖案的準(zhǔn)確；烘烤與顯影，晶圓離開光刻機(jī)后，要進(jìn)行烘烤及顯影，使光刻的圖案永久固定；刻蝕，顯影完成后，使用氣體等材料去除多余的空白部分，形成3D電路圖案；計量和檢驗，芯片生產(chǎn)過程中，始終對晶圓進(jìn)行計量和檢驗，確保沒有誤差。檢測結(jié)果反饋至光刻系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化、調(diào)整設(shè)備；離子注入，在去除剩余的光刻膠之前，可以用正離子或負(fù)離子轟擊晶圓，對部分圖案的半導(dǎo)體特性進(jìn)行調(diào)整。

記者：除了制作半導(dǎo)體芯片，您所研究的薄膜氣相沉積還可以應(yīng)用到哪些方面？

王拓：想要了解薄膜氣相沉積的應(yīng)用，首先要大致了解這個技術(shù)。薄膜氣相沉積是一個典型的化工過程，主要包括主流體的流動、前驅(qū)體分子的傳質(zhì)/表面吸附/反應(yīng)與脫附，以及加熱裝置向基底的傳熱等過程。目前來看，半導(dǎo)體芯片和太陽能電池是薄膜沉積技術(shù)最大的應(yīng)用領(lǐng)域。

記者：應(yīng)用在太陽能電池上，其大致原理是什么？目前是否已經(jīng)可以實現(xiàn)？

王拓：在光電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，如果薄膜電極能實現(xiàn)光能到化學(xué)能的直接、高效轉(zhuǎn)化，則可利用太陽能獲得氫氣或還原二氧化碳，助力我國實現(xiàn)碳中和碳達(dá)峰的目標(biāo)。目前，薄膜電極的活性、穩(wěn)定性尚無法滿足實際應(yīng)用的需求。在薄膜的氣相沉積中，傳遞過程對沉積反應(yīng)及薄膜性質(zhì)起著決定性作用。如何根據(jù)載氣流動、前驅(qū)體傳質(zhì)、表面反應(yīng)等基本原理，精確調(diào)控半導(dǎo)體薄膜的均勻性、致密性、缺陷結(jié)構(gòu)、電子傳輸結(jié)構(gòu)，是提升薄膜的光電化學(xué)性能，從而構(gòu)建高效、穩(wěn)定薄膜電極急需解決的核心問題。

記者：該技術(shù)的難點和關(guān)鍵是什么？

王拓：制備均勻、致密且性質(zhì)可控的高質(zhì)量薄膜，關(guān)鍵在于掌握前驅(qū)體分子的傳質(zhì)、吸附及反應(yīng)規(guī)律。薄膜沉積過程中流場分布不均造成的局部前驅(qū)體濃度不均及基底表面溫度梯度，成為了影響薄膜沉積過程及薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵。經(jīng)過我們的努力，目前已經(jīng)探明了流場結(jié)構(gòu)對前驅(qū)體傳質(zhì)及基底表面溫度梯度的影響規(guī)律，設(shè)計并研制了流型可控的薄膜沉積系統(tǒng)，獲得了高濃度表面吸附位點（如羥基），促進(jìn)了前驅(qū)體分子的均勻吸附與致密成核，實現(xiàn)了薄膜的可控沉積，構(gòu)建了高效、穩(wěn)定的光電化學(xué)水分解制氫薄膜電極系統(tǒng)。

記者：在該領(lǐng)域，您還獲得了哪些突破？

王拓：幾年間，我們圍繞薄膜氣相沉積做了大量的實驗研究，積累了許多成果及應(yīng)用，其主要有以下三個方面。首先是，我們不僅闡明了繞流流態(tài)對流場均勻性及沉積過程的影響規(guī)律，獲得了致密的保護(hù)層薄膜，還解決了光解水制氫體系中活性與穩(wěn)定性相制衡的問題。針對硅等高活性半導(dǎo)體易腐蝕的問題，在原子沉積腔體內(nèi)構(gòu)建了均勻的載氣流場，沉積了致密的無孔洞二氧化鈦保護(hù)層薄膜，使高活性半導(dǎo)體耐受高腐蝕性電解液，并揭示了保護(hù)層中電荷在晶界間的隧穿傳輸機(jī)制，光電產(chǎn)氫穩(wěn)定性超過200小時。

其次是，揭示了層流場結(jié)構(gòu)對傳質(zhì)與傳熱速率的調(diào)控機(jī)制，厘清了前驅(qū)體表面吸附過程對鈍化層缺陷的影響機(jī)制，構(gòu)筑了高效的界面間電荷傳輸通道。針對保護(hù)層與基底晶格失配形成的缺陷，探明了載氣流動形式對沉積反應(yīng)的影響規(guī)律，使沉積過程轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鬏d氣決定的傳質(zhì)控制，獲得了缺陷結(jié)構(gòu)可控的氧化鋁及無定形硅薄膜作為界面鈍化層，電極的光—?dú)淠芰哭D(zhuǎn)化效率突破15%。

最后是，探明了大容量薄膜沉積反應(yīng)器中擾流結(jié)構(gòu)對流場的等效放大規(guī)律，實現(xiàn)了基于工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)硅片的薄膜電極模組化放大。設(shè)計了結(jié)構(gòu)緊湊的圓盤形擾流結(jié)構(gòu)，減弱失穩(wěn)對流場結(jié)構(gòu)的影響，基于此創(chuàng)制了流場均勻的大容量原子沉積系統(tǒng)，將光電極的面積由1cm2放大至標(biāo)準(zhǔn)156mm硅片的243cm2，具備了模組化放大的條件。