“85後”科學家韓拯：探索奈米積木的100萬種可能

人物簡介

韓拯，35歲，山西大學光電研究所教授、博士生導師，第20屆山西五四青年獎章獲得者。堅持以國家重大需求為導向，面向電子資訊科技開展科學研究，在二維奈米人工複合體系的超導量子相變、電子光學、低維量子器件的電磁效能等方面取得創新性研究成果。首次實驗觀測到了pn 結介面上的電子負折射，相關工作被Physics World雜誌評為2016 年度“物理學十大突破”。

人物寄語

“不忘初心，勇敢追求人生夢想。”

我們能用手拿得起來最薄的東西是什麼？可能是一張A4紙，它的厚度大概是88微米；也可能是一根頭髮絲，它的直徑大概在60至70微米；還可能是“薄如蟬翼”的昆蟲翅膀，它可以薄到500奈米到1微米。

這些關於“薄”的研究，就是韓拯的科研探索。作為一名“85後”科研工作者，韓拯研究的，是儘可能找到二維世界裡尺寸非常小的最薄功能材料，堆積成自然界中沒有的新結構，探索其新奇有趣的物理性質，再利用這些物理現象來組裝製造奈米尺度下的小型電子器件，來服務於未來的應用。

這個堆疊層狀材料實現新結構的科研過程，被韓拯幽默地形容為“堆積木”。

把奈米當積木

探索“搭積木”的100萬種可能

“我兒子今年5歲，每天都玩積木，我今年35歲，每天也在玩積木。”這是韓拯對自己科研方向的生動定位。

韓拯口中的“積木”，主體是一種功能材料——奈米。而“奈米積木”，就是指把不同的層狀材料從不同的晶體中分離出來，再把它們組裝到一起。這個把不同的層狀材料進行堆疊的過程，可以堆積成自然界中沒有的新結構，就類似於在拼“奈米積木”。

自然界中有10萬種材料，其中約5000種是層狀材料，如果將它兩兩組合或者三三組合，那麼搭建“奈米積木”的可能性，甚至超過了100萬種。韓拯要研究和探索的，就是這“奈米積木”的100萬種可能。

▲奈米積木的堆疊過程

“奈米積木的體積和尺寸非常小，小到重量只有10的負14次方千克，也就是一百萬億分之一千克。”韓拯介紹，層狀材料的尺寸越小，單位面積上整合的資訊單元就越多，可以節約的空間也就越大。通俗解釋，就類似於乘坐火車，如果只售賣臥鋪票，容納的乘客就不會太多，但如果把臥鋪票改為站票，就可以讓更多的人乘坐火車。

▲韓拯（中）在實驗室

放眼全球，“奈米積木”在環境、生物、國防安全、能源、微電子等各大領域，應用前景都頗為廣泛。“例如可以用在能源領域，比如超級電容，因為它的面積非常大，質量卻非常小。”韓拯搭建“奈米積木”所聚焦的領域，是奈米微電子。“我和團隊主要研究功能材料在尺寸非常非常小的時候，有哪些有趣的物理性質和新奇的物理行為，並進一步利用這些有趣的物理現象來組裝製造成奈米尺度下的小型電子器件，以實現新原理、新架構和未來潛在的應用。”韓拯說。

發現電子世界“交通新規”

構建原創儲存器件

和宏觀世界的交通規則一樣，在二維微觀世界裡，受量子力學規律支配，電子運動也有著自己一套“交通規則”。2019年，韓拯和團隊就發現了電子世界裡的一條最新“交通新規”，並發表於國際頂級學術期刊《自然通訊》。

這條“交通新規”，用專業術語來講，就是“在晶格傳輸過程中，受外電場的影響，電子的導電特性沿著不同方向表現出了一定的差異。”通俗來講，就是如果將電子傳輸通道和交通比喻成太原兩條垂直的繁華街道，例如迎澤大街和青年路，當沒有電場時，青年路是迎澤大街透過率的10倍左右，而一旦施加一定強度的外電場，這兩條車道上的電子透過率差別可高達5000倍。

▲科研中的韓拯

“也就是說，在電子的世界裡，外電場扮演起了對電子傳輸進行‘交通管制’的角色。”透過這一突破性判斷，韓拯和團隊經過進一步研究，構建了各向異性二維碲化鎵浮柵儲存器件，並透過一次門電壓擦寫，在該浮柵操控的原型儲存器件中實現了橫縱兩個方向資訊儲存。“從科幻角度來描述，這種材料可以製作成為一種新型儲存器，當該儲存器中一次性寫入的資料，沿其中一個方向讀取出來的是一本小說，而沿另一個方向讀取出來的，則是一部電影。”韓拯的這一研究，讓二維極限下碲化鎵奈米電子器件展示出了門電壓可調的、面內巨各向異性電阻效應，為實現新型的邏輯運算和儲存單元提供了新思路。

▲“給電子安裝交通燈—— 二維各向異性電子器件”示意圖

▲浮柵暫存器示意圖

韓拯的突破性研究，還遠不止如此。

2016年，韓拯和團隊首次實驗觀測到了pn 結介面上的電子負折射，研究出二維電子不同於光的折射，可以發生負折射，從而可以在特定條件下產生完美聚焦，實現了新的電子開關可能。這一研究，被Physics World雜誌評為2016 年度“物理學十大突破”。

▲韓拯“亞奈米尺度鰭式電晶體”科研成果

到目前為止，韓拯和團隊還成功實現二維本徵鐵磁半導體電晶體、製造出了世界上最薄的鰭式電晶體、在奈米電子學領域構建了新結構發現相應調控機理等多項創新性研究，發表SCI 論文30 餘篇、美國授權專利1 項、中國授權專利1 項，申請中國專利4 項、歐盟專利2 項。

牽頭建立山西科研平臺

助推全省原創科研實力提升

“科技工作者就是要和未知與創新打交道，發現新的現象、探索新的規律，以進一步指導實踐。”在韓拯看來，目前最關鍵的“實踐”，就是要提高原創科研實力，解決奈米電子學領域的“卡脖子”技術難題。“只有透過原創研究才能掌握真正的科研核心，我們才能掌握主動，必要時還可以‘卡’別人的脖子。”韓拯說。

為提高原創科研實力，韓拯以山西轉型發展為導向，牽頭建立了山西大學“先進奈米結構加工與耦合表徵”平臺，瞄準新原理電子器件、新奇物理特性調控兩個方向，實現核心技術突破，力爭解決光電資訊產業發展中的“卡脖子”技術難題。這一平臺的建立，將不斷增強我省在微電子技術、微納加工製造領域的原創實力，為我省光電資訊領域打造一流科研平臺、產業創新平臺、拔尖創新人才培養平臺及高科技企業加速器和孵化器。

▲韓拯（右排一）參加科研會議

“山西科技市場正在蓬勃發展，全省正在大力推進產業轉型和科技創新，但相比沿海發達地區而言，還需要進一步提高科技對經濟的支撐作用。”韓拯希望，可以和團隊一起在未來的5-10年內，解決微納加工的新工藝難題，完成一系列具有新功能的原理樣機並努力進行相關產業轉化，為山西半導體、微納電子等高科技領域的發展提供助力，助推全省原創科研實力提升。

“願望有多強烈，實現它的機率就有多大。”作為一名“85後”科學家，韓拯的願望，也是他的初心——在奈米電子學領域潛心科研，做到從0到1的科研創新。

山西雲媒體出品

採製：李倩倩

原標題：《“85後”科學家韓拯：探索奈米積木的100萬種可能》