人物访谈:新加坡南洋理工大学刘政教授

photo刘政,新加坡南洋理工大学助理教授。二零零一级南开大学物理学。大学懵懂三两年,欲出国,未果。遂考研。寒窗三月有余,侥幸过线。得国家纳米科学中心孙连峰老师怜爱,赴京硕博连读,研习碳纳米材料。依稀记得,时日正值初夏,阳光暖人,少年明亮。初见导师,被一路领着去办理手续。穿过静静的物理所,穿过喧闹的中关村东路,亦穿过青葱的本科,却浑浑不知,将在这繁华都市驻留五年,授业于恩师,互持于挚友,相濡于爱人。五年时光,快乐无忧,除了实验撰文,亦觅得红颜。闲暇翻译《伟大的超越》(The Great Beyond, by Paul Halpern)与《伽利略的手指》(Galileo’s Fingerby Peter Atkins),收入《第一推动力丛书》。转瞬至毕业季。投宝洁,过关斩将,终面惜败。复又得一企业青睐,踌躇不决。最后,机缘巧合,遂赴休斯敦Rice大学与随PM AjayanJun Lou教授做博后研究。两位导师笃学厚德,循循善诱,受益良多。期间,租房,学车,实验,撰文,简单充实。其间,得一子一女。2013年初,申请教职幸得新加坡垂青,遂携妻小赴新,同年十月情定坡南洋理工大学材料工程学院,从事二维材料研究。

 

1 请您简单介绍一下您的科研工作?

我主要从事二维材料研究。

二维材料,亦称之层状材料,特指那些层间相互作用力非常弱的材料。这类材料,可薄至单原子层,厚度小于一纳米,比薄绢更为纤细,比丝绸更加柔顺。大道至简,单原子层的二维材料,实为抽象平面在物质上的极限表达,因为在我们的物质世界,找不到比单层二维材料更平的平面。另一方面,单层二维材料,如石墨烯(Graphene)、六方氮化硼(h-BN),过渡金属二硫属化合物(TMD)等,都可归属于人工材料,因为单层二维材料难以在自然界单独存在。所以,二维材料的发现与合成可以认为是人类在材料领域究极探幽的胜利。

二维材料的研究现状,简而言之:无生一,一生二,二生三,三生万物。所谓无,理论预言,单层二维材料(特指石墨烯)无法稳定存在。所谓一,石墨烯的成功剥离和测量不仅带来了诺贝尔物理学奖,也为二维材料的研究打开一扇窗。鉴于此,石墨烯的孪生兄弟,六方氮化硼很快找到,一为金属,一为绝缘体,此谓一生二。紧接着,窄带隙半导体过渡金属硫化物陆续发现,此谓二生三。至此,新材料探索如火如荼,各种各样的二维材料喷薄而出,目不暇接,基于二维材料的材料生态系统趋于成熟,并且向其它方向开始拓展渗透,可谓三生万物。

材料乃物理之依凭,器件之根基,功能之具现,应用之基础。我们致力于材料本身,即如何合成大面积且高质量的二维材料。以石墨烯为依托,我们成为六方氮化硼合成研究的中坚力量,并进一步拓展至过渡金属硫化物。目前,利用固态合成以及化学气相沉积,基于二十余种元素,我们可以合成出超过一百种的二维体块材料,以及超过五十种的单层二维材料。林林总总,以元素构成分类,包括单元、双元、三元及多元,还有异质二维材料。以性质分类,包括金属半金属、半导体和绝缘二维材料。我们最近的工作集中在二维铁电材料、碲化物二维材料,以及具有奇异能带结构得二维材料。我们也至力于探索二维材料合成的普适方法以及潜在应用。

 

2 您认为科研人员最重要的品质是什么?

专注,专注,专注。重要的事情说三遍。专注方能见微知著,辨异相于寻常。专注方能纵世界繁华万千,心如止水。“淳于髡说之以隐曰:’国中有大鸟,止王之庭,三年不飞又不鸣,王知此鸟何也?’王曰:’此鸟不飞则已,一飞冲天;不鸣则已,一鸣惊人。不鸣则已,一鸣惊人。”

 

3 您对有志从事科学研究的学生有什么建议?

假如你摩拳擦掌准备上船—— 成功永远是少数,自知自醒,知难而退。成功,努力固然重要,资质,背景,运气缺一不可。努力是基本,勤能补拙不一定完全正确,至少成功的科研人没有不努力的。这世上,最沮丧的事情莫过于,比你聪明的人还比你努力。天资不可求,有自知之明方可于万径中找到自己那条。“吾生也有涯,而知也无涯 。以有涯随无涯,殆已!” 背景是催化,科研亦讲究传承。进入圈中,站在巨人的肩膀,崇山峻岭不过绵延山丘。所以良好的学术修养,循循善诱的师长,和谐的合作关系,可以让科研事半功倍。最后,便等”东风与周郎便”。

假如你已经上了船—— 临渊羡鱼,不如退而结网。做科研不要犹豫不决,打一枪换一炮.做学生也最好别一山望那山高,辗转腾挪,耽误了美好年华。

假如你觉得上了贼船—— 赶紧下船,风花雪月,大好河山等着你。再说一遍,科研是险境,纵有望登顶,一览奇山异境,叹为观止;但羊肠小道,古道西风不失另种风情。

假如你已经乘风破浪—— 出色的学生与有所建树的科学家还有巨大的鸿沟。研究方向的选择、教职申请、教书育人、学术能力、基金申请都不可或缺。另外,掌声和鲜花的影子下面,大多是家人孤单、寂寥和无私付出。科研需要专注,但专注不是永远生活在自己世界。对大多数人而言,纵攒千文万言,著作等身,百年之后亦灰飞烟灭。所以,我个人更欣赏在独树大家的同时,可以庇荫小家之人。

 

4 您对您的研究领域有何展望?

二维材料研究是一个崭新的领域,从理论到应用研究,呈星火燎原之势。二维材料研究植根于纳米研究热潮,从零维巴基球,到一维纳米管,各领风骚上十年,一直到石墨烯的横空出世,二维材料正式登上纳米研究的舞台。与之前的明星材料不一样,二维材料以石墨烯为先锋,超过百余种材料冲锋作战,并且新的二维材料层出不穷,以此构筑二维材料研究的完整生态系统,并确保二维材料研究不会昙花一现。此外,二维材料实乃费曼所言“自下而上”(bottom up)方法之完美范例。即,以原子为尺度,重构物质,避其所短,用其所长。究其根本,单原子操作任重道远,只可以在极端条件下极微小尺度实现(如STM操纵原子),纳米线过于柔软且物性变化多端(如CNT)。只有二维材料,可以在纳米尺度上游刃自如的重筑物质。基于此,人类终于可以以单层二维材料为基础,在纳米尺度上,构筑具备完整功能性的人工材料!

具体到二维研究研究,挑战有三:生产、转移与应用。即,大规模高质量的生产二维材料、规模化高效率的转移二维材料、以及在诸多方向应用二维材料构建功能器件。二维材料的制备已经驶入快车道。气相法、化学沉积以及外延生长齐头并进。在未来十年以内,第一项挑战完全有可能突破。转移技术是应用的关键,硅片级别的转移开始见诸报端,未来可期。最具有挑战性的是应用。高纯硅的生产技术为半导体行业奠定基础,铁磁材料引发存储革命,光纤材料让信息在世界上各个角落肆意流转。二维材料可以为我们带来什么?这里我大胆的提出几个可能的方向供批判: 

以单原子层材料为基础带来的物理新发现。包括凝聚态物理现象、奇特的光学、热学以及力学性质。二维材料已经开始崭露头角;

以单原子层材料为基础带来的材料性能提升。包括全新的涂层材料,复合材料以及智能材料等等;

以单原子层人工结构为基础带来的器件性能提升。以终极的精度重构材料,大大提升既有器件的性能,如晶体管,光电传感器等;

以单原子层材料本身性质为基础带来的全新器件。新兴的研究领域比如量子计算,人工智能,柔性器件,超低能耗器件对于新材料求贤若渴。二维材料极有可能像如上所述的高纯硅、铁磁材料或者光纤材料一样,定义全新的工业,切实改变我的生活。

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