作者:记者 唐琳 来源: 发布时间:2020-12-17 20:31:10
张广宇:兴趣驱动高质量创新研究

   “黑金”“新材料之王”“价格10倍于黄金”……从一众抓人眼球的词汇中,不难看出人们对石墨烯的期待。

   2004年,英国物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫用微机械剥离法成功从石墨中分离出单层石墨烯,自此,二维材料进入了人们的视野。

   作为人类发现的首个二维材料,石墨烯的应用范围非常广泛。由于导电性好,石墨烯刚制备出来时更多地被当做一种电子材料,主要用作透明导电膜、传感器、光探测器等等。但随着研究的不断深入,基于二维材料制备的器件也体现出各种优异的特点,国际范围内的相关研究竞争也日趋激烈。

   对于中科院物理研究所研究员张广宇来说,石墨烯是他在科研工作中最早涉及的二维材料。2006年,在美国物理学会举办的三月会议上,当时还在从事博士后研究的张广宇第一次接触到石墨烯。 

   “这个领域很新,我在会上听了一些相关的报告,对这种新材料非常感兴趣。”张广宇表示。之后,他便一直关注着石墨烯领域的最新研究进展,并且开始着手准备石墨烯相关的研究工作。

   回国以后,张广宇便把主要精力放在了对石墨烯的研究上。从2008年到现在,张广宇已经在二维材料领域耕耘了整整12年。

 

专注二维材料

 

   在物理所,张广宇组建起一个能在低维物理和纳米材料方面开展高水平实验工作的研究小组,并取得了一系列具有国际水准的原创性工作,其中代表性成果之一,便是对石墨烯摩尔超晶格的研究。

   石墨烯衬底对石墨烯性质影响很大。相比于氧化硅衬底,六方氮化硼衬底具有原子级平整的表面、无悬挂键、掺杂效应弱等优势,因而可以更好地保持石墨烯的本征物理性质,而且石墨烯在六方氮化硼上会形成二维超晶格结构。理论计算表明,二维超晶格可以调控石墨烯的能带结构,形成附加的狄拉克点,进而为探索一系列新的物理现象如分形能谱等提供有效手段。

   以往采用物理转移技术将石墨烯“放”在六方氮化硼表面的加工方法往往具有不确定性,其容易导致结构不确定、不均一、介面污染等诸多问题。因此,如何控制石墨烯在六方氮化硼上的堆垛方式,使二维超晶格周期确定、大尺度均一、高质量无污染就成了一个极具挑战性的课题。

   2013年,张广宇团队在前期无催化直接生长石墨烯技术的基础上,提出了一种先多点取向成核再融合成膜的创新思路,在国际上首次实现了六方氮化硼惰性衬底上石墨烯的可控范德尔瓦斯外延。现在,这种做法已经成为近年来大尺度单晶石墨烯生长的主流思路。

   基于石墨烯异质外延技术,张广宇带领的团队系统研究了石墨烯摩尔超晶格中的能带结构和量子输运现象,引领了国际上二维超晶格物理的实验研究。他们的研究表明,外延石墨烯和氮化硼衬底具有零转角的晶格堆垛方式,形成了约15纳米周期的二维超晶格结构,改造了石墨烯的能带,在超晶格布里渊区的M点形成新的狄拉克点。这一系列研究结果为石墨烯的外延生长以及二维超晶格的物理研究提供了新的方法和思路。

   除了研究衬底诱导的石墨烯摩尔超晶格,近期,张广宇团队还从AB堆垛的双层石墨烯出发,研究了双层—双层石墨烯(“2+2”)魔角体系。他们的研究结果表明,由AB堆垛的双层石墨烯构筑的转角双层—双层石墨烯体系,同样存在电子平带,且平带结构可以受到位移电场的调控。他们的研究结果为从实验和理论上研究铁磁莫特绝缘体和铁磁超导提供了可能。

 

初心源自兴趣

 

   这些具有国际影响力的研究成果的取得,与张广宇开展科学研究的初心是分不开的。

   “我从事科学研究是源于兴趣,而不是靠项目驱动,我不会为了获得项目而研究自己不感兴趣的问题。”在谈到自己做科研的初心时,张广宇表示:“之所以选择二维材料这个研究领域,一方面是希望利用二维材料来研究基础科学问题,另一方面则是相信这些新材料在未来可能会带来革命性的应用。”

   因为从事的是实验工作,张广宇十分看重实验结果的可靠性,在长期的科学研究中,他始终秉持着“可重复性”这一原则。

   “即使实验的结果再好,如果不可重复,也不是我们追求的结果,我们发表的研究成果一定得是他人在同等条件下可以重复的,这一点对于科学研究来说至关重要。”张广宇强调。

 

勇于担当作为

 

   作为中科院物理所纳米物理与器件重点实验室主任,张广宇在做好自身科研工作的同时,也肩负着把好实验室发展方向,带领实验室稳步发展、不断进取的使命。

   2020年新冠肺炎疫情期间,防疫工作不能松懈,复工复产迫在眉睫,尚处于建设期的松山湖材料实验室面临重重困难。逆行者唯艰,在疫情较为严重的二三月份,张广宇以身作则,奋斗在松山湖材料实验室复工复产工作的一线,彰显了一名团队领军者的担当与奉献。在实验室全体成员的共同努力下,松山湖材料实验室在疫情期间稳步发展、壮大,得到了广东省政府的高度评价。

   正是这种敢于担当、孜孜不倦的不懈追求,让张广宇能够在青年一代科研人员中脱颖而出。也正是因为有像张广宇这样不忘初心、勇攀高峰的科研工作者们前仆后继,我国基础研究领域才能一直保持旺盛的竞争力,向着更多重大原创性成果不断前进!

 

 

《科学新闻》 (科学新闻2020年12月刊 人物)
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