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王肖沐:四年磨一“材”,只为做出最灵敏的红外探测器

来源:科技日报    时间:2019-12-30    


王肖沐(左)为学生讲解实验原理

  自然界中电磁波的波谱范围非常广,人眼可见光的波长在0.3微米到0.8微米之间,只占电磁波波谱中很小的一部分。而仅仅是这一部分光波,就能让人类感知到五彩缤纷、变化莫测的大千世界。

  在可见光之外,还有很多人类用肉眼看不到的光,即不可见光。南京大学电子科学与工程学院教授、博士生导师王肖沐研究的,就是不可见光中的红外电磁波。

  前段时间,2019年度“求是奖”揭晓。因在红外光子学领域作出的突出贡献,王肖沐捧起了该奖证书。

  寻找最便宜的半导体材料

  根据波长,红外电磁波可分为近红外、中红外、远红外等波段。王肖沐的工作,主要围绕中红外波段展开。

  在结束了剑桥大学和耶鲁大学的博士后研究工作后,2016年年底,王肖沐回国加入南京大学电子科学与工程学院。

  “来到南京大学后,我的工作主要是研制中红外探测器。而找到性能优越、价格低廉、加工方便的半导体材料,是研制出该探测器的关键。”王肖沐说,红外探测器价格非常昂贵,主要就是因为半导体材料成本降不下来。

  为了降低半导体材料和探测器加工的成本,王肖沐想到,能否利用硅材料。

  “硅是相对便宜的半导体材料,但是硅有一点很大的不足,就是它对红外光没有响应,那就只能将硅材料和其他材料进行集成。”于是,王肖沐想到了他的“老朋友”——黑磷。

  “黑磷是我在耶鲁大学做博士后时,就一直在研究的材料。我所在的研究小组,是当时世界上最早研究该材料的三个研究组之一。”王肖沐说。

  时间回溯至2014年11月。

  那时王肖沐在耶鲁大学从事博士后研究工作,他和导师偶然在黑磷中发现了经典的量子隧穿现象。

  在量子力学领域,量子隧穿现象指的是,电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为。

  随着研究的深入,王肖沐逐渐觉察到,那可能不是量子隧穿,而是弹道雪崩。

  王肖沐向记者介绍道,弹道雪崩这种物理机制,是将量子弹道输运与雪崩击穿过程相结合,使粒子同时具有量子特性和雪崩特性。

  此后,王肖沐向《自然·纳米技术》投稿,阐述这一新发现。经过两轮审稿,审稿人对此表现出极大的兴趣。可令人遗憾的是,因为相关器件做得不够干净,使黑磷发生氧化反应,所以无法准确阐释实验机理——文章被拒了。

  “这项研究虽然很有挑战,但是我坚信通过努力,这个问题是很有可能被解决的。”此后的2年里,王肖沐不断进行试验,可始终没能得到满意的结果。

  接连失利后陷入自我怀疑

  直到2016年回国,这一研究终于有了起色。“研制中红外探测器,正好能用上之前黑磷的研究成果。”王肖沐说。

  2016年10月,去南京大学入职报道时,王肖沐错过了招募实验组成员的最佳时机。为了成立团队、完成研究工作,他只能从合作伙伴、南京大学物理学院缪峰教授团队“借”来一个学生,组建起了最初的研究组。

  一个老师、一个学生,回想起当初的艰难,王肖沐开玩笑说“自己团队的风格是极简”。

  几个月后,实验获得了突破性进展,他们不仅获得了干净的界面,还制出了性能优异的中红外弹道雪崩光电探测器和弹道雪崩场效应晶体管。

  “可以说,这可能是迄今为止,世界上最灵敏的中红外探测器件!”王肖沐说。

  有了这一进展,王肖沐团队这次决定向《自然》杂志投稿。经过漫长的审稿过程,令人感到遗憾的是,他们再次被拒。

  接连的失败,曾让王肖沐一度陷入自我质疑,情绪变得有些低落。“我们的实验,做得非常艰难,有时就连我们自己都开始怀疑,是不是错了?在现有条件下,还能否获得实验数据?”他说。

  但这样的状态,王肖沐并未持续很长时间。“如果连我们自己都不相信自己,谁还会相信我们?”他回忆道。

  论文再次被拒后的那个春节,王肖沐和学生都没怎么好好过。和家人短暂相聚几日,他们就匆匆赶回实验室。假期里大部分时间,他们都一起做实验、整理数据,每天都在无休止地讨论、测试,前前后后做出了大概四五十个器件。

  今年4月初,实验组的学生给王肖沐发来一张电子干涉图,上面的信息显示——实验终于成功了。当时,王肖沐激动地几乎要跳起来。

  “4年前,我肯定想不到,能取得这样的成果。我们在实验过程中遇到了各种各样的问题,如今回想起来,这一切的付出都是值得的。”王肖沐感慨道。

  从2014年11月到2018年10月,历时整整4年,这项成果最终发表在《自然·纳米技术》杂志上。

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