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深耕基礎(chǔ)研究 促進(jìn)原始創(chuàng)新

呂勁

北京大學(xué)物理學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師。教育部新世紀(jì)人才，量子物理科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心研究員。作為慶祝中華人民共和國(guó)成立70周年紀(jì)念章獲得者，愛(ài)斯維爾2020、2021、2022年中國(guó)高被引學(xué)者，2020、2021連續(xù)兩年入選斯坦福大學(xué)全球排名前2%頂尖科學(xué)家。入選全球?qū)W者庫(kù)網(wǎng)全球頂尖前10萬(wàn)科學(xué)家（位列12525名）。其二維晶體管理論研究成果，2020年獲得陜西省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)，2021年獲得北京市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（第一完成人）和中國(guó)電子學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)三等獎(jiǎng)。

 作為自主創(chuàng)新之源的基礎(chǔ)研究，不論對(duì)科技發(fā)展本身還是對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，都是具有戰(zhàn)略意義的制高點(diǎn)，其使命不僅要服務(wù)于今天，更要引領(lǐng)未來(lái)，創(chuàng)造新的需求和發(fā)展優(yōu)勢(shì)。黨中央高度重視基礎(chǔ)科學(xué)研究工作，習(xí)近平總書(shū)記對(duì)加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究多次作出重要批示指示。2018年1月19日國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于全面加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究的若干意見(jiàn)》，對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究工作作出全面部署。

為助力解決一系列“卡脖子”的技術(shù)問(wèn)題，北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂勁研究員，秉持著火熱的初心和科學(xué)家精神，深耕于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，成立了凝聚態(tài)計(jì)算物理團(tuán)隊(duì)，致力于低維納米體系的量子調(diào)控、準(zhǔn)粒子效應(yīng)和激子效應(yīng)、能谷電子學(xué)、拓?fù)湫再|(zhì)等研究，并利用這些納米材料設(shè)計(jì)新型納米電子學(xué)器件、納米光電子學(xué)器件和儲(chǔ)能器件。尤其在研發(fā)高性能和低功耗的邏輯型器件等方面做出了一系列的成果和實(shí)質(zhì)性突破。

首次提出打開(kāi)狄拉克材料能隙新方案并進(jìn)行原理器件仿真

集成電路是信息社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。2021年，我國(guó)進(jìn)口集成電路的金額高達(dá)4400億美元（2.8萬(wàn)億人民幣），是最大宗的進(jìn)口商品。摩爾定律預(yù)測(cè)集成電路的晶體管數(shù)目大約每?jī)赡攴环?。?dāng)前市面上的硅基晶體管尺寸已發(fā)展到18 nm柵長(zhǎng)，接近性能的物理極限。比起三維塊體，二維材料的尺度極薄，具有更好的柵控性能，同時(shí)表面光滑沒(méi)有懸掛鍵，電荷傳輸不受陷阱態(tài)和起皺帶來(lái)的散射的影響，可以保持較高輸運(yùn)性能，有效避免短溝道效應(yīng)。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖（ITRS）及其繼承者國(guó)際器件與系統(tǒng)藍(lán)圖（IRDS）都把二維材料列為硅的極具潛力的替代溝道材料。最先實(shí)驗(yàn)獲得的二維材料是石墨烯，它的硅和鍺的類似物稱為硅烯和鍺烯，二者和當(dāng)代半導(dǎo)體工藝兼容。它們和石墨烯一樣是狄拉克材料，有高的載流子遷移率，但能隙為零，不適合做運(yùn)用于邏輯器件的晶體管。如何在保持高遷移率的同時(shí)打開(kāi)一個(gè)可控能隙是狄拉克材料研究最重要的課題之一。

電場(chǎng)是實(shí)驗(yàn)常用的調(diào)控手段。但令人遺憾的是，具有平坦結(jié)構(gòu)的單層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)不敏感，外加電場(chǎng)不能打開(kāi)單層石墨烯的能隙。而同樣是具有線性能帶色散的狄拉克材料的單層硅烯和鍺烯，則具有與之不同的起皺結(jié)構(gòu)，又比其他二維材料與當(dāng)代半導(dǎo)體硅工藝更具有兼容性。呂勁團(tuán)隊(duì)早在2012年就首次發(fā)現(xiàn)，垂直的外加電場(chǎng)可以通過(guò)破壞硅烯和鍺烯上下子格子的反演對(duì)稱打開(kāi)能隙，并且打開(kāi)的能隙隨電場(chǎng)強(qiáng)度線性增加，同時(shí)能夠保持高的載流子遷移率。

為驗(yàn)證這一巧妙思想，呂勁團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了雙柵的硅烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，利用頂柵和底柵的電勢(shì)之差提供打開(kāi)能隙所需的電場(chǎng)，同時(shí)底柵和頂柵電勢(shì)之和起到控制溝道電勢(shì)的作用。他們又通過(guò)結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法和密度泛函理論的第一性原理量子輸運(yùn)模擬，第一次論證了硅烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管原理器件具有電流開(kāi)關(guān)效應(yīng)，開(kāi)關(guān)比是無(wú)電場(chǎng)時(shí)的8至50倍。該成果發(fā)表于國(guó)際高水平期刊《納米快報(bào)》（Nano Letters）2012年12月刊。該文被他引944次，是目前二維晶體管的第一性原理量子輸運(yùn)模擬論文中引用最高的論文。

由于硅基晶體管是半導(dǎo)體行業(yè)的主流晶體管，而硅烯晶體管又是最薄的硅基晶體管，因此，電場(chǎng)調(diào)控硅烯和鍺烯能隙的觀點(diǎn)一經(jīng)提出就引發(fā)了學(xué)界的巨大關(guān)注。2015年，硅烯的最早發(fā)現(xiàn)者之一、意大利國(guó)家研究委員會(huì)微電子與微系統(tǒng)研究所的Alessandro Molle高級(jí)研究員與德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Akinwande教授等在實(shí)驗(yàn)上首次制備出硅烯晶體管。呂勁團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果被列為該項(xiàng)研究的動(dòng)機(jī)之一。硅烯晶體管的制備，被美國(guó)化學(xué)會(huì)C&EN網(wǎng)評(píng)選出2015年11項(xiàng)最受矚目的化學(xué)成果之一。

與此同時(shí)，呂勁團(tuán)隊(duì)也瞄準(zhǔn)拓?fù)渚w管和拓?fù)浣^緣體研究的一個(gè)重要方向——尋找大體能隙材料。繼以BixSb1-x為代表的第一代和以Bi2Se3為代表的第二代拓?fù)浣^緣體，他們首次發(fā)現(xiàn)單層鉍烷和銻烷(BiX/SbX，X=H，F(xiàn)，Cl，Br)在不考慮自旋軌道耦合的情況下，和硅烯一樣是零能隙的狄拉克材料，但是自旋軌道耦合可以打開(kāi)體能隙，而邊緣態(tài)仍然維持狄拉克錐導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。作為第三代拓?fù)浣^緣體，鉍烷和銻烷的體能隙可超過(guò)1 eV，為當(dāng)時(shí)拓?fù)浣^緣體的體能隙的最大值。該成果于2014年6月發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》子刊《NPG亞洲材料》。

該項(xiàng)工作意義重大，首次提出了打開(kāi)狄拉克材料硅烯和鍺烯能隙的簡(jiǎn)單方案，即施加垂直電場(chǎng)，并提供了器件的第一性原理量子輸運(yùn)模擬，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)的硅烯晶體管的制備以及硅烯鍺烯學(xué)科的發(fā)展。而最大能隙拓?fù)浣^緣體鉍烷和銻烷的發(fā)現(xiàn)，則為室溫拓?fù)渚w管的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)展按照ITRS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)二維半導(dǎo)體晶體管性能在原子級(jí)上無(wú)參數(shù)精確評(píng)估的范式

本征的二維半導(dǎo)體優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需調(diào)控能隙就可直接做晶體管。但是制備亞10 nm的二維半導(dǎo)體晶體管在實(shí)驗(yàn)上極其困難，加之二維材料數(shù)目又很多，迫切需要可靠的理論對(duì)各種二維材料晶體管性能進(jìn)行評(píng)估。石墨烯的同位素異形體石墨炔被預(yù)測(cè)是高遷移率的二維半導(dǎo)體。2010年，在中科院化學(xué)所李玉良小組率先實(shí)驗(yàn)上合成石墨炔之后，呂勁團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨炔的本征性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在低維的半導(dǎo)體中，由于增強(qiáng)的庫(kù)倫相互作用，多體效應(yīng)比塊材更為明顯。次年，該團(tuán)隊(duì)第一次計(jì)算了單層石墨炔精確的準(zhǔn)粒子能帶，發(fā)現(xiàn)能隙較之密度泛函理論的0.44 eV修正到了1.1 eV。通過(guò)求解BSE方程，得到了單層石墨炔的激子吸收譜，激子束縛能高達(dá)0.55 eV。而李玉良小組測(cè)量出的石墨炔在紅外和紫外的吸收譜，與呂勁團(tuán)隊(duì)的預(yù)言非常相符。該理論與實(shí)驗(yàn)的合作工作于2011年發(fā)表在物理學(xué)國(guó)際權(quán)威期刊《物理評(píng)論B》。石墨炔準(zhǔn)粒子能帶和激子峰的確定為石墨炔的快速發(fā)展提供了基礎(chǔ)。2015年，呂勁團(tuán)隊(duì)對(duì)鋁做電極的10 nm柵長(zhǎng)的單層石墨炔晶體管做了第一性原理量子輸運(yùn)模擬，發(fā)現(xiàn)其開(kāi)關(guān)電導(dǎo)比可到105，最大電流可達(dá)14000μA/μm，大大超過(guò)硅基晶體管的開(kāi)態(tài)電流。預(yù)測(cè)的石墨炔晶體管已被證實(shí)。

受垂直電場(chǎng)調(diào)節(jié)硅烯和鍺烯能隙的啟發(fā)，2012年呂勁團(tuán)隊(duì)把垂直電場(chǎng)施加在雙層過(guò)渡金屬硫化物MoS2上，發(fā)現(xiàn)垂直的電場(chǎng)導(dǎo)致的斯塔克斯效應(yīng)可以減小它的能隙，在電場(chǎng)達(dá)到1-1.5 V/?時(shí)候，甚至可以關(guān)閉能隙。第一性原理量子輸運(yùn)模擬顯示當(dāng)雙門施加的電場(chǎng)在達(dá)到1.3 V/?時(shí)，晶體管實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通。該成果一經(jīng)發(fā)表，被他引241次，是ESI高被引論文。

但有大的開(kāi)關(guān)比和最大電流未必意味著二維晶體管就能取代硅。二維晶體管能否取代硅晶體管應(yīng)按照ITRS標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定。從2016年起，呂勁團(tuán)隊(duì)首次按照 ITRS標(biāo)準(zhǔn)，把無(wú)參數(shù)的第一性原理量子輸運(yùn)方法用于評(píng)估（仿真）亞10納米典型本征半導(dǎo)體晶體管性能的尺寸演化行為，發(fā)現(xiàn)鈦電極的單層MoS2肖特基場(chǎng)效應(yīng)晶體管在亞10納米尺寸下仍然能保持優(yōu)異的性能：其開(kāi)態(tài)電流與目前實(shí)驗(yàn)上最好的硅場(chǎng)效應(yīng)管在同一水平，并具有超低的亞閾值搖擺。

在選擇溝道材料時(shí)，人們通常會(huì)選擇有效質(zhì)量小的半導(dǎo)體材料，冀圖獲得比較大的遷移率。呂勁團(tuán)隊(duì)卻發(fā)現(xiàn)，在小尺寸晶體管中，有效質(zhì)量在0.4-0.5m0附近時(shí)，開(kāi)電流最小，更小或更大的有效質(zhì)量均有利于開(kāi)電流。這表明大的有效質(zhì)量對(duì)應(yīng)的大的電子能態(tài)密度也起重要作用。仿真發(fā)現(xiàn)幾類典型的單層二維半導(dǎo)體材料MOSFET(砷烯、銻烯、InSe、Bi2O2Se)都能滿足ITRS 高性能和低功耗器件的開(kāi)電流、電容、延遲時(shí)間、功耗的要求，超越硅晶體管，支持用二維溝道材料延續(xù)摩爾定律到亞10 nm尺度的方案。

呂勁團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀就上述成果在物理學(xué)頂級(jí)綜述期刊《物理報(bào)告》上發(fā)表了72頁(yè)的長(zhǎng)篇綜述。其意義可見(jiàn)一斑：建立了原子級(jí)的無(wú)需參數(shù)的亞10 nm二維晶體管的器件性能的評(píng)估（仿真）范式；按照 ITRS標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格論證了二維材料具有延續(xù)摩爾定律到亞10 nm尺寸的能力，并尋找出器件性能與能帶結(jié)構(gòu)的規(guī)律，為延續(xù)摩爾定律提供了一條路線。二維晶體管具有超越硅基晶體管的卓越性能已被彭練矛-邱晨光團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表在《Nature》上的實(shí)驗(yàn)證實(shí)并引用，表明二維材料確有替代硅溝道的潛力。

發(fā)展精確計(jì)算晶體管構(gòu)型下二維半導(dǎo)體與金屬界面肖特基勢(shì)壘的范式

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Kroemer說(shuō)，“界面即器件”。影響實(shí)際二維半導(dǎo)體晶體管性能的除了材質(zhì)本身外，還有界面處的肖特基勢(shì)壘，這也需要準(zhǔn)確的理論評(píng)估。

鑒于先前常用的二維晶體管計(jì)算肖特基勢(shì)壘方法沒(méi)有考慮電極與溝道材料在水平方向強(qiáng)烈耦合帶來(lái)的金屬誘導(dǎo)的界面態(tài)以及由此引起的費(fèi)米能釘扎，低估了水平肖特基勢(shì)壘高度。呂勁團(tuán)隊(duì)運(yùn)用無(wú)參數(shù)的第一性原理量子輸運(yùn)模擬，充分考慮電極與溝道的耦合，通過(guò)計(jì)算晶體管的空間能帶圖，發(fā)現(xiàn)金屬誘導(dǎo)的能隙態(tài)（MIGS）普遍存在于二維晶體管與金屬的水平界面，導(dǎo)致費(fèi)米能釘扎。

他們用這套模式系統(tǒng)研究了一系列二維半導(dǎo)體（包括磷烯、過(guò)渡金屬硫化物MX2、V族烯、VI族烯、GaN、InSe等）與金屬電極在晶體管結(jié)構(gòu)下界面性質(zhì)，修正了先前的功函數(shù)近似理論低估的水平肖特基勢(shì)壘高度。二維材料與金屬界面存在較多MIGS和費(fèi)米能釘扎的觀點(diǎn)被麻省理工學(xué)院孔敬課題組和韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院物理系Sungjae Cho教授研究組的工作所采用。

課題組合影

通過(guò)開(kāi)展該項(xiàng)目，呂勁團(tuán)隊(duì)發(fā)展了精確確定二維半導(dǎo)體晶體管肖特基勢(shì)壘的研究范式，確定了典型二維半導(dǎo)體的水平肖特基勢(shì)壘和釘扎因子，有助于二維半導(dǎo)體晶體管的電極優(yōu)化。

這一系列重要研究成果大部分為國(guó)際首創(chuàng)，被《自然》及其子刊、《科學(xué)》、《現(xiàn)代物理評(píng)論》等著名學(xué)術(shù)期刊引用評(píng)述，并對(duì)實(shí)驗(yàn)起到了指導(dǎo)作用，發(fā)展的二維半導(dǎo)體晶體管的精確性能評(píng)估和界面研究范式得到了廣泛應(yīng)用。其學(xué)術(shù)影響力充分說(shuō)明基礎(chǔ)研究的重要性和深遠(yuǎn)意義，只有在基礎(chǔ)研究方面擁有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和重大建樹(shù)，國(guó)家的自主創(chuàng)新能力才有提升之道，才能在全球經(jīng)濟(jì)分工中取得優(yōu)勢(shì)和主動(dòng)地位。

對(duì)標(biāo)世界一流大學(xué)，建立現(xiàn)代化的后勤保障體系

在一心撲在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之余，呂勁還將滿腔的熱情投入于校園內(nèi)外，以深沉的人文情懷積極推動(dòng)和促成各項(xiàng)改革，提升社會(huì)文明程度。世界一流大學(xué)，除了學(xué)術(shù)一流外，還應(yīng)該有一流的后勤保障。比起其他世界一流大學(xué)，北京大學(xué)在后勤方面還有明顯的差距。2019年起，他擔(dān)任北京大學(xué)教代會(huì)代表，就北京大學(xué)的制度建設(shè)、文化建設(shè)和后勤現(xiàn)代化提出了議案。在議案的推動(dòng)下，北京大學(xué)教學(xué)樓的設(shè)施獲得了改善，在三教四教衛(wèi)生間增設(shè)了馬桶和熱水，圖書(shū)館和部分教學(xué)樓考試期間開(kāi)放時(shí)間延長(zhǎng)至晚上12點(diǎn)。他還通過(guò)校長(zhǎng)信箱，促成了學(xué)校教學(xué)樓的洗手間手紙和洗手液的配置，深受師生好評(píng)。在2020年和2022年，他兩次獲得北京大學(xué)第七屆教職工代表大會(huì)暨第十九次工會(huì)會(huì)員大會(huì)優(yōu)秀提案獎(jiǎng)。值得一提的是，2020年5月6日，習(xí)近平總書(shū)記主持召開(kāi)中共中央政治局常委會(huì)會(huì)議時(shí)特別強(qiáng)調(diào)，要完善公共衛(wèi)生設(shè)施。由呂勁起草關(guān)于在全國(guó)碼頭，火車站，汽車站和城內(nèi)公共廁所配備肥皂，洗手液和衛(wèi)生紙的建議經(jīng)中國(guó)工程院原副院長(zhǎng)趙憲庚院士完善并得到北京大學(xué)前校長(zhǎng)林建華等人大代表附議后提交到第十三屆全國(guó)人大常委會(huì)，被列為10268號(hào)閉會(huì)建議，得到答復(fù)和采納。作為北京大學(xué)的教師代表，參加建國(guó)70周年天安門群眾游行，榮獲北京大學(xué)國(guó)慶70周年重大活動(dòng)特殊貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、教育部集體嘉獎(jiǎng)以及慶祝中華人民共和國(guó)成立70周年紀(jì)念章。

科學(xué)無(wú)止境，精神永流傳。習(xí)近平總書(shū)記在2020年科學(xué)家座談會(huì)上強(qiáng)調(diào)指出：“科學(xué)成就離不開(kāi)精神支撐。科學(xué)家精神是科技工作者在長(zhǎng)期科學(xué)實(shí)踐中積累的寶貴精神財(cái)富。”呂勁研究員亦是如此，他將以科學(xué)家精神為引領(lǐng)，固基強(qiáng)本促創(chuàng)新，以學(xué)者姿態(tài)建言獻(xiàn)策促改革，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不忘初心，砥礪前行，努力為一流學(xué)科建設(shè)與拔尖人才培養(yǎng)貢獻(xiàn)力量，把科研成果書(shū)寫(xiě)在祖國(guó)大地上。

（2023年第12期）

責(zé)編:李鵬
編審:卡咪娜