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周树云:踏上二维材料的“新大陆”

2017-03-06 17:01:27  来源:央视网  责任编辑:周冬 周冬  
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央视网消息:从清华物理系学生到成为清华物理系教授,周树云的人生经历简单又梦幻。简单的是她的工作和生活都在学校里,梦幻的是她所从事的学科研究总能发现“秘密”。

周树云领导一个由十来位博士生组成的实验室,研究“石墨烯”“拓扑半金属”……她深耕于凝聚态物理领域,运用“角分辨率光电子谱”技术,在石墨烯、第二类拓扑半金属、过渡金属硫族化合物、新型拓扑材料以及异质结等新奇电子结构研究方面做出了重要的贡献。

2017年,周树云荣获第十三届“中国青年女科学家奖”称号。

高深的“石墨烯”在她眼里就像堆积木

周树云资料图

在电影阿凡达里,导演通过电脑特技向我们描绘了一个虚构的星球——潘多拉。强大的人类舰队跨越几个光年来到这里,不惜破坏这里的生态,屠戮原住民,为的就是得到这个星球上一种特殊的资源:Unobtainium。这种元素,在地球上售价是2000万美金一公斤。这个在电影里一闪而过的特殊材料“unobtainium”翻译成中文的字面意思,其实叫“难得的元素”。这可不是编出来的词儿,在航空领域,人们用“难得的元素”形容性能完美的材料,比如轻得像空气却坚硬得像钢铁。

而今天,一种全新的材料,正在接近人类梦想中的“难得的元素”,这就是石墨烯。它和我们常见的石墨棒和铅笔芯一样,全是由碳原子组成,只不过,它只由一层碳原子在平面上构成,可以说它的特点就是薄,薄到不能再薄。根据已知信息,它的厚度仅为头发丝的20万分之一,强度是钢的200倍,是世界上已知最薄最轻最强的材料,如果用石墨烯打造快速充电的手机,20秒就能把手机充满。而周树云正是国际上最早利用角分辨光电子谱研究石墨烯研究者之一。

2002年从清华物理系毕业,她去美国加州伯克利大学攻读博士学位。2007年获得博士学位后,她在伯克利国家实验室先后以博士后和项目科学家的身份工作了四年。2012年,周树云回到母校清华大学,成为中国物理学界最年轻的女科学家之一。

普通人觉得枯燥深奥的物理研究,在周树云眼里却是一条无比欢乐幸福的道路。“这就像最简单的乐高积木,可以搭建成各种想象不到的东西一样。把研究透彻的不同材料进行‘拼接’后,它们之间的相互作用会产生原来单个材料所没有的、更加有意思的特性,有一些特性甚至是超出我们预想的。”

搞科研 进一寸有一寸的欢喜

图片来源于网络

主宰电子信息产业飞速发展几十年的“摩尔定律”即将走到尾声——单纯依靠缩小晶体管尺寸的做法,不仅受到工艺成本的限制,还将带来棘手的功耗和散热问题。

近年来,全世界对石墨烯等二维材料的研究进行了巨大的投入,就是希望从中找到能够替代硅的理想半导体材料。周树云表示:“过去十几年,人们发现虽然石墨烯具有一些非常奇特的性质,但它却缺乏半导体器件的重要特征--能隙。”

通过ARPES是一种直接测量材料中的能带结构的技术手段,可以揭示许多以前未被发现的新材料属性。能带结构决定了一种材料几乎所有的主要特性,就像生物体的DNA决定了生物的特性一样。可以说,能带扮演着“材料DNA”的作用。2012年,周树云组建了自己的实验室之后,利用这些技术,她一方面寻找那些有潜力“超越石墨烯”的新型材料,一方面将熟悉的材料组合出全新的特性。

其中一类新型材料,是与石墨烯拥有相似蜂巢状结构的“过渡金属硫族化合物”。该家族化合物中有许多成员仍缺乏研究和探索,例如二硒化铂(PtSe2)。周树云及合作者不仅首次成功制备了单层二硒化铂,还揭示了该材料体系具有高达1.2电子伏特的能隙——这种石墨烯不具备的性质,让二硒化铂在光催化作用和光电效应领域具有重要的应用潜能。实验证实,单层的二硒化铂具有半导体性质,而多层累加的二硒化铂“单晶”,则是一种新型拓扑材料“半金属”。周树云团队顺藤摸瓜,瞄准了“过渡金属硫族化合物”中的另一个材料体系二碲化钼(MoTe2)——很快地,他们直接从实验上证实了:低温下的二碲化钼具有理论预言中“第二类外尔半金属”的特征。该研究成果为层状材料实现拓扑电子学器件开辟了新的体系。

要寻找理想的材料,除了寄希望于新型材料体系之外,另一个策略则是将一些熟悉的材料进行重新组合。周树云所感兴趣的“石墨烯/氮化硼异质结”正是这样的组合:层状的氮化硼与石墨烯虽然原子排列十分相似,不过由于原子对称性的不同,两种材料的性质差异很大——石墨烯具有“半金属”性质,而氮化硼则是不导电的绝缘体。将这两种材料通过弱范徳华作用力结合、形成异质结之后,其中的石墨烯出现了原本不具备的半导体性质。她的团队随后利用ARPES技术,首次观测并证实了石墨烯/氮化硼异质结中的能带结构及能隙,用直接的测量结果,解决了该材料体系中有关能带调控的若干关键科学问题。

“女博士”不另类 用科学的力量改变世界

周树云证件照

周树云所在的凝聚态物理领域,无论国内还是国外都存在悬殊的男女比例现象。不过,女性到底适不适合从事科研,从来都不是她考虑的问题——因为“身边有很好的榜样”。

周树云提到,自己在留学期间的博士导师Alessandra Lanzara就是一位优秀的女科学家:“我开始读博士的那一年,也正是她到伯克利开始教职的时候。在几年的时间里,我看到她是怎么样一步一步从零开始建立小组,并且取得很好的研究成果。在这个过程中,她建立了家庭、有了孩子,工作和生活都处理得井井有条。”

得益于国家对科技的重视以及国内整体科研环境的改善,目前我国从事科学研究、开发、传播和应用的女性科研工作者队伍已日益壮大,其中不乏取得斐然成就的卓越女科学家。然而,由于传统观念和社会认知的影响,持续投身科学并晋升高级职位的女性比例依然偏低。

当一些同龄人进入事业迷茫期的时候,周树云却觉得现在是最好的状态——与曾经的懵懂和迷茫相比,她现在更加明确自己的方向、能力和目标。岁月并没有在她脸上留下太多印记,阅历却为她带来了成熟与笃定。

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