林君浩课题组二维材料研究频频突破

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9月6日，南方科技大学物理系、粤港澳大湾区量子科学中心林君浩副教授课题组与南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室高力波教授课题组合作，相关研究成果以“晶圆级范德华超导异质结的堆叠生长”为题在线发表在《自然》（Nature）上，披露了他们在二维范德华超导异质结的晶圆级生长及其机理研究方面取得的突破性进展。
        这是林君浩课题组在不到三个月时间内的又一篇《自然》。6月14日，《自然》刊登了题为“液态金属合成高熵合金纳米颗粒”的最新研究成果。这是林君浩课题组与武汉大学化学与分子科学学院付磊教授课题组、电气与自动化学院郭宇铮教授课题组合作，在高熵合金纳米颗粒（HEA NPs）的合成与生长机理研究方面取得的突破性进展。

         在林君浩看来，一系列突破性成果频繁涌现，正是作为科研工作者一个厚积薄发的过程，也是一个水到渠成的结果。其中有重复的枯燥，有等待的忐忑，也有收获的喜悦。探寻未知世界的好奇心，将会带他们到更远的地方，而这便是科研的乐趣。
         二维超导异质结中的二维超导材料层，如NbSe2等，由于结构不稳定，很难在二维异质结中直接通过生长集成，因而成为二维范德华超导异质结大规模制备的关键难题。在9月份的《自然》文章揭示了一种全新的“高温到低温”的逐层生长策略。林君浩课题组与合作团队为了克服这个问题，通过巧妙设计二维异质结中每一层的生长环境，使其生长温度均低于前序层，从而实现了高质量的可控多层范德华超导异质结（vdWSH）晶圆级生长。该方法能够精确地控制vdWSHs中二维超导体材料的层数，并通过球差电镜表征证实了多层体系的高质量堆叠结构。
         这是林君浩这些年一直在二维材料方面耕耘的最新成果。“二维材料其实对应的就是三维材料的简化版本。我们把三维材料比作一个盒子，如果把这个盒子压到像一张纸一样扁，就可以叫做二维材料。而在这个压扁的过程，或者说它一层一层剥开来的过程，大多数材料是不稳定的，所以我们这个工作其实是发展了一种新的技术，简单来说就是实现了二维超导体材料的稳定生长，并能在晶元上面生长到非常大面积的尺寸。”林君浩解释道。
       “可以这样说，在追寻大尺寸的材料的生长上，我们反其道而行之，一般来说，大家其实都是从三维到二维，而我们实际上是一层一层往上去生长，每一层的条件都控制得非常好，这个堆叠的过程有点像叠乐高积木。所以我们现在能长出来一个很多二维材料堆叠在一起的、高质量而且大面积的人造二维材料。”
林君浩介绍，此次发表的文章突破点首先是把这个“乐高积木”第一次搭造到晶圆级的，可以直接与现代的硅工艺进行集成，产业化的前景比较乐观。另一个突破的地方则是他们优化了这个堆叠的控制过程，引进一些新的二维材料元素，使这个过程变得更稳定。
          沿着二维材料方向，林君浩与团队正在尝试叩开物理世界新的大门。2018年来到南科大之前，林君浩研究的是基础科学，探索前沿技术原理的可行性与先进性，但离实用性与产业化仍然有一段距离。来到南科大的第一时间，他便组建了先进低维材料实验室，开展新型超薄半导体与磁性材料的研究。
        “其实我们是以超薄磁性材料为切入口，总结了这个领域里长久存在，但是没有什么人触碰的问题。”林君浩相信这一研究有非常吸引人的科技前景——如果以后的手机像纸一样轻薄，却能储存超出目前5-10倍的信息量，那将带来什么样的信息革命？为了达到这一目标，需要克服逼近物理极限产生的结构不稳定性，不断缩小元器件的尺寸。
          尽管还有众多未攻克的难关，但利用材料革新进行新一轮的信息革命的远大目标，仍然值得憧憬。
          多年搭建的实验仪器成了“独门武器”
           在林君浩看来，对仪器的使用，是科学研究非常关键的一环，正是发挥出了先进仪器的关键作用，课题组才在最近迎来了科研成果的“井喷”。而这三个月内的两篇《自然》，正是这样一个“水到渠成”的过程。
          在先进低维材料实验室，各种功能的手套箱连接在一起，这就是林君浩课题组用数年时间搭造起来的科研“利器”。9月份《自然》文章中，与手套箱结合的原子结构表征结果在揭示薄膜生长机制和结晶程度方面起到了关键的作用。而此前的一系列研究成果也同样离不开这套仪器的“加持”。
         “从样品生长一直到结构的表征性能测试，我们都把不同功能的仪器集结在一起，将整套材料生产线都放置在一个密闭的、充满惰性气体的环境中来完成实验。”在实验室里，物理系研究助理教授侯福臣介绍，他是此次论文的共同第一作者。
            搭建仪器的过程是起步最艰难的时候。侯福臣说：“刚开始搭建实验室那两年，很多仪器都是林老师和我到处找厂家，甚至请好几个厂家一起过来开会，讨论这些仪器怎么搭建，一点一点拼凑搭造起来。”而利用这套仪器，这项研究申请了10余项专利，获得国际科学界的认可，团队也得到广东省“珠江人才计划”创新创业等项目的支持。
         正应了那句“兵欲善其事，必先利其器”。这一套仪器顺利运行了一年多的时间，如今，利用这套仪器产生的成果正在渐渐浮现出来。除了最近的两篇正刊，还有几项也颇有分量的成果也正在投稿流程。在磨合期后，课题组正迎来收获的季节。
        林君浩课题组的成员们经常打趣，自己不仅是科研人员，还是“工程师”“包工头”。从无到有的实验室打造以及仪器设备的搭建调试过程，让他们在不断重复的实验中锻炼出了动手能力，收获了丰硕成果，也有了把自己名字写在世界顶刊上的底气。
         在6月和9月的两篇《自然》文章中，博士生王刚主要负责材料高分辨结构表征和元素分布检测方面的工作，如今作为博士后的他继续留在课题组。作为林君浩老师在南科大带的第一批学生，王刚参与到了实验室的规划设计与设备搭建工作中，特别是在搭建其课题组实验室独具特色的手套箱互联系统时，时常需要动手组装与改造设备。他表示，在课题组的几年里，无论是科研逻辑还是理论知识都得到了许多提升，而参与实验室的建设，更是锻炼了他的动手能力，为他后来开展实验工作大有助益。
同样作为林君浩课题组的第一届博士研究生，郭增龙见证了实验室从空荡荡到塞满仪器的全过程。“在这个过程中，林君浩老师对细节的把握和对仪器极致状态的追求，对我产生了深刻的影响，让我明白自己不仅只是一个设备的使用者，也是一个从原理上理解设备、并根据自己的理解对设备进行改造的工程师，让实验设备能够更大的发挥作用。”
        郭增龙说，在日常的科研工作中，林君浩老师时常教育大家要学会用批判性的思维，不迷信教科书和高水平的论文，尝试从别人的工作中找到问题的突破口。
接下来，林君浩课题组还有更多的计划，他们的一系列成果也正在提交。“支撑你在科研事业中一直走下去的，永远只有一件事：就是你对未来世界的好奇心。”林君浩一直鼓励课题组的同学们，只有提高原创能力，实现更多“从0到1”的突破，才能将那些不可能、不敢想的场景应用，通过掌握的技术一步一步实现。“希望我们的工作，有朝一日能成为牵动世界变革的动力。”
        文章来源：南方科技大学
        林君浩, 1986年生，美国田纳西州Vanderbilt大学物理学博士。博士论文研究在美国橡树岭国家实验室完成，导师为周武博士（实验方向）和Sokrates Pantelides教授（理论方向），采用实验与理论相结合的手段研究二维材料原子结构与性能之间的关联，主要结合高分辨扫描透射电镜和第一性泛函原理计算作为研究工具。博士毕业后获日本振兴学会（JSPS）特聘研究员资格，赴日本国立产业综合研究所电子显微镜研究组进行博士后研究，合作导师Kazu Suenaga博士。主要研究方向为包括高低温下原子尺度二维材料物相变化的电镜原位表征，并通过高能量分辨电子损失能谱探索单原子尺度下物质的光学特性。林君浩博士具有实验和理论双重背景，对实验设计和理论计算融会贯通，以此研究了大量新兴二维材料里复杂缺陷的原子结构。通过结合实验原子图像和理论模拟，阐述了二维材料里各种缺陷的形成机理，并提出了部分缺陷结构能显著改善或增强材料的性能。这些工作在二维材料的电子与光学器件应用等方面有极其重要的意义。截至目前为止，林君浩博士已经以第一作者（含共同一作）或通讯作者在Nature， Nature Nanotechnology，Nature Materials，Nano Letters，PRL，Advanced Materials， ACS Nano等高影响期刊发表80余篇，总引用次数超过8600多次，H因子38。2018年全职加盟南方科技大学物理系。