WILEY人物访谈——南京大学缪峰教授

缪峰教授,南京大学物理学院和南京微结构国家实验室教授、博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者,国家“万人计划”中青年科技创新领军人才入选者,科技部国家重大科学研究计划(青年)项目首席科学家,国家“青年千人计划”入选者,江苏省“十大青年科技之星”入选者,科睿唯安全球“高被引科学家”。
     2004年本科毕业于南京大学物理系;2009年获美国加州大学河滨分校物理学博士学位,同年获得最佳博士毕业生奖;2009-2012年在美国惠普实验室(硅谷总部)任助理研究员;2012年入选国家青年千人计划后全职回南京大学工作,并先后获得江苏省双创人才、江苏省杰出青年基金、江苏省“六大高峰”人才计划(A层次)等资助。

Introduction

MVC:请您先简单介绍一下您课题组的科研工作?

MF: 我们课题组主要从事二维材料电学性质的基础研究,以及二维材料在信息器件领域的应用基础研究。具体研究方向主要包括二维材料的量子电子输运与物性调控,场效应电子器件,存储与类脑计算器件,以及光电探测器件。我们希望通过对新材料和新原理器件的前瞻性研究,积极促进凝聚态物理和信息科学两大领域的新兴交叉融合,能够最终影响到未来的电子信息技术与产业。

MVC: 对于您发表的著作,哪些是令您最骄傲的?您最喜欢的是您哪部分的研究工作?

MF: 我们近期的工作主要围绕新材料与器件、新原理器件、以及异质器件集成三个方向,我简单总结一下:

1)在新材料与器件方向,我们系统研究了低晶格对称性的代表性材料:二硫化铼(ReS2),观察到由于低晶格对称性导致的机械性能及电子输运性质的各向异性特性,得到了在所有二维材料中最高的各向异性比值。首次制备出基于单层ReS2的高性能场效应器件;并利用各向异性特性,将晶格方向作为新的器件设计参数,成功制备出基于ReS2的高性能逻辑反相器(Nat. Comm. 6, 6991 (2015));并利用多层ReS2保持直接带隙的特性,制备出高性能闪存器件和光存储器件,以及高响应率光电探测器(Adv. Func. Mater. 26, 1938 (2016); ACS Nano,12, 9513 (2018))。这系列工作为低晶格对称性的半导体二维材料在未来集成电路和光电子学领域的应用提供了新的思路。

2)在新原理器件方向,我们主要围绕二维材料应力电子学与手征电子学开展工作在应力电子学方向,我们首次发现了多层石墨烯中层间耦合调控诱导的正压电电导效应,该效应有可能被应用在新原理的压力传感器件上,并指出层数在构建基于石墨烯的纳米机电系统和柔性电子器件中的重要作用(Nat. Comm. 6, 8119 (2015))。

在手征电子学方向,我们研究了第一个被理论预言的“第二类外尔半金属”材料:二碲化钨,利用观察到的各向异性手征输运特性提供了有力的实验验证,并首次实现了费米能级在外尔点附近的原位调节,为利用拓扑材料实现场效应新原理器件提供了科学基础(Nat.Comm. 7, 13142 (2016); Nano Lett. 18,7962 (2018); Adv. Func. Mater. 28, 1803746 (2018))。

3)最后在异质器件集成方向,我们主要围绕电子器件与光电器件开展工作。在电子器件方向,我们利用二维层状硫氧化钼以及石墨烯构成具有原子级平整度界面的高质量范德华异质结,首次实现了基于全二维材料的、可同时耐受超高温和强应力的高鲁棒性忆阻器(Nat. Electron. 1, 130 (2018))。。在光电器件方向,如前述,我们在基于硒化铟/黑磷高质量异质结中观察到弹道雪崩效应,发现该效应可以被用来实现低噪声的信号增强,包括高性能的碰撞电离晶体管(IMOS)和雪崩光电探测器(APD)器件应用(Nat. Nanotechnol. 14,217 (2019));同时通过制备基于黑砷磷的原子尺度p-n结和基于石墨烯的p-g-n异质结构,克服了窄带隙半导体探测器在室温下具有较大暗电流和噪声的缺点(Sci Adv, 3, e1700589 (2017); Nano Lett. 16, 2254 (2016))。

我们近期关注较多的是发掘二维材料及异质结的优越性质,并探索它们在未来类脑计算中的应用潜力。我们2018年Nature Electron.的工作首先验证了二维材料可以被用来实现高性能的忆阻器;在此基础上,最近我们基于过渡金属硫族化合物的S型负微分电阻器件与电容的并联电路,进一步实现了对神经元动作电位发放和震荡的电学模拟,为未来二维材料类脑计算芯片的实现提供可能的思路(Adv. Electron. Mater. (2019), doi: 10.1002/aelm.201800853)。

Upbringing and early interest in science

MVC: 当您还在上学的时候,您想未来从事什么职业?是什么把您吸引到科学领域的呢?

MF:当我还在上学的时候,我并没有明确设想过未来要具体从事哪一种职业;但是自己比较确定的是,从事的工作一定不能枯燥、要有挑战性、能让自己一直保持有热情。后来自己才慢慢发现,科研完全满足了这几点要求。

把我吸引到科学领域的,我想最重要的是兴趣,我从小就对电子产品特别好奇。我是一个典型的80后,80、90那个年代物质还是比较匮乏的,尤其是电动玩具很少见。我还记得上小学时,我从堂哥那里第一次见到那种装了电池驱动小电风扇的太阳帽。我非常好奇,就把小电风扇的电机拆了下来,经过各种摆弄,后来加了点木工材料,最后成功做出了一艘小的电动轮船,让自己觉得很有成就感。后来,只要家里的电子产品出了小毛病,例如电视机保险丝烧了这类事情,都是我这个孩子来修。这种童年时代的爱好,影响了我的人生轨迹,也给我做科研提供了持续的热情。

MVC: 如果您没有走科研这条路,您现在会干什么?如果重新选择,您还会继续做学术研究吗?

MF:  如果没有走科研这条路,我现在应该也会从事与科研相关的职业。在8、9年前,当我还在硅谷的惠普实验室工作的时候,我就意识到自己的未来面临着若干选择,例如,一直留在大公司的实验室做研究,在硅谷选择合适的机会进行创业,或者在美国或国内的学术界做科研。最终,出于对科研的热爱,以及能够按照兴趣选择方向的研究自由,我选择了回学术界做科研。如果重新选择,我当然会继续选择做学术研究,而且会继续选择回国做学术研究。

Main field of interest

MVC: 是什么促使您选择二维材料的电学/光学性能,及其在电子器件中的应用作为您的研究课题?

MF:从十多年前石墨烯的横空出世,到各类新型二维材料的不断涌现,到二维材料同质与异质结展现的丰富而新奇的物性,二维材料不断给人们带来惊喜。研究二维材料的电学/光学特性不仅能够帮助我们理解这类材料体系蕴含的极其丰富的物理,观察到的许多有趣的电学/光学现象同时也给电子器件应用提供了崭新的思路。

例如,我们最近在一篇合作论文中(Nat. Nanotechnol. 14, 217,(2019)),利用低温电子输运的研究手段,在黑磷垂直方向亚平均自由程内的沟道中观察到了载流子的弹道输运;在此基础上,制作了高质量的硒化铟/黑磷(InSe/BP)垂直p-n异质结,提出并实现了一种新型的p-n结击穿机制:弹道雪崩。这种物理机制将弹道量子输运与雪崩击穿过程结合,利用弹道输运中电荷几乎无散射、保持相位相干的量子特性,结合纳米尺度下可控的雪崩效应,有望在实现载流子倍增放大的同时保持低功耗、低噪声。基于实验上实现的这样一个有趣的电学现象,我们和合作伙伴进一步制作出了性能优异的碰撞电离场效应晶体管(极陡亚阈值摆幅)和中红外弹道雪崩光电探测器(极高的光子放大倍数和极低的噪声)。这也是一个典型的凝聚态物理和信息电子器件两个领域的交叉课题。

MVC: 您的研究组在二维材料的光电特性研究领域有哪些研究方向?对二维材料在电子器件中的规模性应用上您有什么展望?

MF:  我们主要利用二维材料异质结构,通过有效降低暗电流噪声等手段,围绕可室温工作的中远红外光电探测器开展研究

二维材料要实现在电子器件中的规模性应用,还有很长一段路需要走,也需要学术界和工业界的同仁们持续不断地去努力。需要克服的挑战还很多,包括确定最合适的材料体系和器件结构,实现高质量材料的大面积合成,以及可靠的集成工艺等。从应用方向上看,个人认为应用门槛略低一些的探测与传感会较早地被实现,其次会是应用门槛更高的计算与存储,特别在一些能够充分利用二维材料特定优势的应用场景。

MVC: 您如何看待忆阻器/阻变存储器目前的研究现状,以及其在神经突触仿生器件甚至人工智能领域的应用?

MF:  忆阻器/阻变存储器的研究现状可以大致概括为:在传统存储领域“稳步前进”,在新兴计算和人工智能领域“攻城掠地”。

在传统存储领域,忆阻器/阻变存储器的研究近期取得了长足的进步,有望跨越内存和外部存储之间的“存储墙”,提升计算机系统的信息处理能力。由于与半导体工艺相兼容,且成本较低,忆阻器/阻变存储器最先投入应用的领域可能是嵌入式存储(对成本非常敏感,所需存储量小,不需要大规模的阵列)。从器件角度看,均一性和阵列的漏电流目前依然是实现高密度忆阻器阵列的主要限制因素。

“存算一体化“是一种新兴的计算方案。忆阻器/阻变存储器基于多态可调的特性和交叉阵列的架构,有望在”存算一体化“的模拟计算领域取得突破,并解决该领域长期以来存在的静态功耗高的问题。此外,由于交叉阵列结构在解决高效率向量点乘运算方面优势明显,因此基于忆阻器/阻变存储器的计算单元会在向量点乘运算占主导的人工神经网络方面发挥重要的作用。问题主要在于如何实现与现有的数字化计算架构高效融合(数模转换)。

同时,”类脑计算“是人工智能领域中处于快速发展阶段,并受到广泛关注的一个方向。忆阻器/阻变存储器可以模拟神经突触/神经元的各类特性,可利用来通过模拟生物神经系统的方式实现人工智能系统。其优势在于,采用单个器件而非独特设计的电路来模拟神经元和神经突触,可以极大地降低电路设计的复杂程度和系统的功耗。然而目前“类脑计算”还缺乏明确的技术路线图和复杂智能功能的实验验证,个人认为在“类脑计算”的架构顶层设计方面还有很大的发展空间。

Work life balance

MVC: 什么时刻您最享受工作中的乐趣?在科研经历中是否有些趣事可以和我们分享?

MF: “山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村。”科研过程中,经过潜心思考和谨慎求证,从毫无头绪到豁然开朗那一刻是我最享受的时候。

十多年前,当我还是一个博士研究生的时候,有机会去惠普实验室做三个月的实习生。当时设计的课题是用原子力显微镜结合电路在忆阻器中寻找导电通道,课题能够工作的前提是需要用原子力显微镜针尖在器件表面均匀地施加压力。我开始实习后的第一周却近乎崩溃,是因为我发现所有的器件在最初的电学操作之后,都像经历过火山爆发一样,被损坏得很严重,完全无法继续我的实验。这也几乎注定我这次实习会以失败告终,这让我整整沮丧了两周。之后,没有轻易放弃的我和同事一起,兴奋地发现这其实是因为器件中发生了电化学反应导致了气体的产生和溢出,而对这些电化学反应的深刻理解帮助我们改进了器件的结构和大幅提升了器件的性能。这篇工作发表后受到很多关注,目前已经被引用超过500篇次。可见,“失败”的实验很多时候并不是坏事,这也是科研最有趣的部分之一。

MVC: 科学工作之余,您最大的爱好是什么?

MF: 我最大的爱好就是打网球和登山。在美国的时候,我很喜欢去登山。登山让我做事情更加专注,因为登山的时候,你的目标很明确,就是要登顶。登山也是一个不断挑战自我的过程,我后来克服高山反应的挑战登上了美国本土最高峰Mount Whitney,让我很有成就感。

Advices to youth

MVC:您认为科研人员最重要的品质是什么?您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议?

MF: 最重要的就是两个词:专注与坚持。

我来讲一个真实的故事。我有一名博士生,即将从我们课题组毕业去德国从事博士后阶段的研究。她进入课题组后开展的第一个课题是我们的一个新方向,很多实验方法需要重新摸索,她在两年多的时间里付出了巨大的精力,但是最终课题结果不甚理想,不了了之。面临这样巨大的挫折,我已经做好了她会沮丧一阵子的心理准备。结果,她很快就克服了这次挫折带来的负面影响,重新调整自己的心态后积极地开始了新的课题,甚至中途在寒假期间主动退掉了用抢票软件好不容易抢到的回家过年的火车票,仅仅花了7个月的时间就完成了一个非常重要的课题,最终文章顺利被Nat. Comm.接受。这就是人们常说的逆商,一种在人生关键的节点比智商和情商更重要的能力;而这种“打不死的小强”的精神力量,让我相信在她以后的学术生涯中,可以帮助她承受更大的挑战,也帮助她获得更多的成功。

MVC:您能否用简单的几个词形容下拥有快乐的实验室生活的关键?(key to a happy lab life)

MF: Be self-motivated; work hard, play hard; collaborative& supportive.