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晶體制備是一門精細技術(shù)，如何提升其穩(wěn)定性、可控性？北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝教授團隊首創(chuàng)“晶格傳質(zhì)—界面生長”晶體制備新范式，讓材料如“頂竹筍”一般生長。“科研工作者應(yīng)將有限的人生，投入到無限的科研事業(yè)中去，始終堅持、始終熱愛，做出有意義、有影響力的成果。”劉開輝說。
晶體，離我們的生活很近。
石英晶體能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電振蕩，是精準的時間守護者；人工晶體可以用于白內(nèi)障手術(shù)，恢復(fù)患者的視力；半導(dǎo)體晶體用于制造晶體管、集成電路等電子元件……
晶體制備是一門精細的技術(shù)。在微觀世界里，制備晶體就像蓋房子，“建筑材料”是原子、分子或離子，“設(shè)計圖紙”則是晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律。但隨著“建筑材料”排列逐漸不受控、雜質(zhì)及缺陷累積，“房子”就會變得歪歪扭扭，甚至坍塌。
如何提升晶體制備的穩(wěn)定性、可控性？
北京大學(xué)博雅特聘教授、物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長劉開輝團隊提出了全新的晶體制備方法——“晶格傳質(zhì)—界面生長”。該方法能讓材料頂著上方結(jié)構(gòu)，如“頂竹筍”一般生長，顯著提高晶體結(jié)構(gòu)的生長速度和均一性，有望提升芯片的集成度和算力，為新一代電子和光子集成電路提供新材料。相關(guān)成果在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。
一次突發(fā)奇想，“造”出10萬層單晶石墨烯
制造芯片，首先要把材料“做薄”。
過去，制造芯片的第一步是制造單晶硅。當單晶硅制程工藝縮小到2納米后，向更小尺度推進，難度便會陡增。硅材料的功能和尺寸，幾乎達到目前技術(shù)的極限，尋找其他晶體成為芯片行業(yè)的趨勢。
2014年，劉開輝進入北京大學(xué)物理學(xué)院，組建了以量子材料制備與超快光學(xué)技術(shù)研究為主攻方向的課題組。“國家的戰(zhàn)略需要，就是科學(xué)家要攀登的科研高地。”劉開輝說。
如何更好更快地制備晶體？一次突發(fā)奇想，打開了晶體制備新范式的大門。
2019年6月，團隊里“單晶銅箔庫”課題組的博士生張志斌，正在準備高溫處理單晶銅箔。因為銅箔較軟，所以需要將其平整置于石英板材之上。為了避免石英材料中的二氧化硅在高溫時與銅反應(yīng)生成銅硅合金，他在銅箔下表面額外放置了一層耐高溫隔層材料——石墨紙。
突然，一道靈光乍現(xiàn)：既然能做單晶銅箔，能不能嘗試制備單晶鎳箔？
第二天，打開管式爐腔體時，眼前的景象讓他激動不已——鎳箔的上表面變黑，這意味著極有可能長出了厚層石墨。“單晶石墨極難制備，石墨材料具有易解理性，很難堆疊成厚層單晶石墨。”劉開輝敏銳地意識到其中蘊含的巨大科研潛力。
“要把材料‘做厚’！”劉開輝帶著團隊繼續(xù)攻關(guān)，成功將單晶石墨的厚度從1微米提高到35微米，實現(xiàn)了10萬層單晶石墨烯的制備。團隊制備出的厚層單晶石墨質(zhì)量極高，包括均勻的厚度、超大的單晶尺寸、超平整的表面以及超高的熱導(dǎo)率等。
“此前，國內(nèi)科研用的高端石墨材料主要從國外購買。高質(zhì)量單晶石墨的制備，能為我國在單晶石墨研究領(lǐng)域爭取到更大的國際話語權(quán)。無論把材料‘做薄’還是‘做厚’，團隊的科研目標一直是突破‘卡脖子’技術(shù)。”劉開輝說。
從“蓋房子”到“頂竹筍”，找到晶體制備新方法
一粒石子落入水面，激起了思維創(chuàng)新的漣漪。
劉開輝和團隊成員們，一起尋找單晶石墨生長背后的物理機理，并舉一反三，提出了“晶格傳質(zhì)—界面生長”新范式。
劉開輝介紹，在制備過程中，原子首先在金屬表面，即“地基”上排布形成“第一層晶體”；接著，新加入的原子通過晶格傳輸進入“地基”與第一層晶體之間的縫隙，頂著上方已形成的晶體層生長，不斷形成新的晶體層。
“就像‘頂竹筍’一樣，從根基‘頂’上去，保證每層晶體結(jié)構(gòu)的快速生長和均一排布。”劉開輝舉例，“有好的根基才能長成參天大樹。用這個方法，我們能制備10萬層的晶體材料，一分鐘能長50層。”
與傳統(tǒng)晶體生長方式不同，“晶格傳質(zhì)—界面生長”不是在表面生長，而是利用晶格來進行傳遞生長，因此能有效避免缺陷積累，實現(xiàn)高質(zhì)量的晶體制備。
“晶體生長受量子力學(xué)控制，一定會出現(xiàn)缺陷。在界面生長的晶體，雖然不能消除缺陷，但缺陷不會‘遺傳’。因為出現(xiàn)缺陷的一層被頂了上去，并不影響下一層的生長。”劉開輝說。
更讓人驚喜的是，這個晶體制備方法具有通用性。利用這一新方法，團隊現(xiàn)已制備出氮化硼、硫化鉬等9種高質(zhì)量二維晶體，晶體制備層數(shù)達到30萬層。
談及研究過程，劉開輝形容，科研攻關(guān)跌到過谷底，也會抵達高峰，“穿行在低谷高峰，靠的是對科研的熱愛和堅持。”
始終堅持、始終熱愛，做出有意義、有影響力的成果
“數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科一旦有了突破，將帶來幾十年甚至上百年的科技紅利和變革。”劉開輝在北大科學(xué)夜跨年演講上說。
2000年，劉開輝進入北京師范大學(xué)學(xué)習(xí)物理專業(yè)，畢業(yè)后先后到中國科學(xué)院物理研究所攻讀凝聚態(tài)物理領(lǐng)域博士學(xué)位，到美國轉(zhuǎn)向光學(xué)物理領(lǐng)域開展博士后工作。如今，劉開輝的課題組成員近40人，其中有一半在做光學(xué)技術(shù)的前沿創(chuàng)新，另一半則主攻材料制備，兩個團隊開展交叉融合研究。除了科研，劉開輝還活躍在教學(xué)一線，教授實驗科學(xué)、近代物理實驗等多門課程。
“科研就是擰好每一顆螺絲，腳踏實地邁好每一步。”劉開輝說，日復(fù)一日的基礎(chǔ)性工作，經(jīng)常面臨失敗，難免感到倦怠。但也正是在一次次實驗中，科學(xué)家能將研究成果抽象成物理原理或數(shù)學(xué)公式，科學(xué)研究的真諦逐漸顯現(xiàn)。
從立項時的興奮，到探索時的迷茫、初有成果時的激動，再到持續(xù)優(yōu)化過程中的反復(fù)打磨，嘗遍科研過程中的百味，才能真正領(lǐng)略到科研帶來的喜悅。
“科研工作者應(yīng)將有限的人生，投入到無限的科研事業(yè)中去，始終堅持、始終熱愛，做出有意義、有影響力的成果。”劉開輝說。
《 人民日報 》（ 2025年05月07日 12 版）