InfoMat专访系列之青年科学家:日本国立材料研究所李世胜研究员:二维材料生长的“真香定律”

个人简介

李世胜,日本国立材料研究所 (NIMS),国际青年科学家中心 (ICYS),研究员。2006年本科毕业于东南大学材料科学与工程学院。2012年博士毕业于中国科学院(沈阳)金属研究所,师从成会明院士,刘畅研究员。2012年至今,先后在日本国立先进产业技术综合研究所(AIST),新加坡国立大学(NUS)及日本国立材料研究所(NIMS)从事低维纳米材料的可控制备及物性研究。在Nature Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Science, ACS Nano,等期刊发表学术论文40余篇,他引1800余次,h因子为19。目前的研究主要是基于“盐辅助化学气相沉积法”来实现高质量二维TMDC晶体的晶圆级、图案化生长,掺杂改性等,并探索其在电子器件方面的应用。

研究工作

InfoMat:能否简要介绍一下您的工作?

在过去近七年里,我一直致力于二维材料的生长和应用方面的研究,具体来说,是利用盐辅助化学气相沉积法生长二维过渡金属硫族化合物(TMDC)晶体。基于对生长机理认识的深入,我们发展了“卤盐1.0”和“熔盐2.0”生长技术。近三年来,我主要是在“熔盐2.0”的框架下,探索高质量二维TMDC晶体的晶圆级、图案化生长,掺杂改性及其在电子器件方面的应用。

InfoMat:当您还在上学的时候,未来想从事什么职业?是什么机缘促使您从事二维材料的研究呢?

高考后选择材料专业,也是填志愿的时候参考了旁边清华同学的志愿,误打误撞进入了这个行业。上大学的时候,我对未来的职业并没有清晰的规划,只是懵懂地感觉对科研有兴趣。幸运的是在研究生阶段,在中科院金属所成会明院士和刘畅研究员的指导下,我开始从事一维材料碳纳米管生长方面的研究,这为我后来的科研工作打下了坚实的基础。博士毕业后,我在日本的产业技术综合研究所继续做了两年碳纳米管的研究。后来机缘巧合,去到新加坡国立大学Goki Eda教授课题组,从事二维TMDC晶体的生长工作,进入了我现在从事的这个领域。

InfoMat:您认为二维材料在电子器件领域的应用前景如何?

我觉得二维材料的迷人之处就像是在拆盲盒,惊喜总在后头。目前大家已经找到了一些在电子器件中很有潜力的材料,比如用作半导体沟道的MoS2, WSe2,Bi2O2Se,黑磷等、用作接触电极和互连线路的石墨烯、原子级平整的绝缘基板h-BN等。未来,无论是对目前这些材料的优化还是探索更有潜力的新材料都将会进一步推动二维材料在电子器件领域的应用。

盐辅助气相沉积技术:从“卤盐1.0”到“熔盐2.0”

InfoMat:对于您的团队发表的工作,哪一部分最让您印象深刻?

印象最深的是2018年我们在Nature Materials上发表的工作《气-液-固法生长一维MoS2纳米带》。过去,大家普遍认为卤盐里的Cl,Br,I是高效生长二维TMDC晶体的关键,包括我们在2015年发表的第一篇工作。而在2018年,我们首次报道NaCl中的Na能够和MoO3反应形成Na-Mo-O熔盐,也是一种高效生长MoS2的前驱体。基于碱金属-过渡金属氧化物熔盐,我们提出气-液-固法生长TMDC晶体的 “熔盐2.0”技术。Nature Materials的审稿人认为这个工作为二维TMDC晶体的生长开辟了新的方向。目前,这个工作也得到了国际同行的广泛引用。

InfoMat:您在CVD生长制备二维材料方面发表过多个重要成果,您觉得这种制备方法最大的优势体现在哪些方面呢?其未来发展的机遇和挑战如何呢?

我觉得盐辅助化学气相沉积法最大的优势是方法简单、重复性和可控性也很好,未来有望在大面积晶圆级二维TMDC单晶体和合成电子学方面取得突破。对于 “熔盐2.0”生长技术,其核心是利用一类含碱金属的熔盐:对生长来说,它是“良药”;但对于在电子器件上应用来说却是“毒药”。虽然多方证据表明碱金属并不会掺杂到二维TMDC晶体的晶格中,但极少量的残留,也可能对电子器件的性能和可靠性带来负面影响。未来如何解决这些矛盾,也将是我们发展盐辅助生长技术时要着重解决的问题。

InfoMat:盐辅助二维材料CVD生长的提出以及升级极具创新性,请问提出这个原创方法的灵感来源是什么?是什么初衷驱动您对研究技术进行再一次升级与完善呢?

盐辅助二维材料生长工作的灵感,其实来自研究生阶段的一个工作。当时,我们在研究硅基板上纳米级FePt薄膜在高温退火后形成的催化剂纳米粒子的尺寸和密度,这对于理解和调控FePt催化剂高效生长碳纳米管垂直阵列非常重要。因为扫描电镜和原子力显微镜难以表征硅基板上极高密度的FePt纳米粒子,我们只能借助透射电镜(TEM)来表征,但制备这样的TEM样品难度极高。刘畅老师建议我用NaCl单晶体作为牺牲层,然后沉积氧化铝缓冲层和FePt催化剂层。在完成高温退火后,将NaCl用纯水溶解掉,再用铜网微栅捞出浮在水面的氧化铝/FePt薄膜用于TEM表征,最终得到了满意的结果。后来我博士毕业,也带了几块NaCl晶体。这几块小晶体,跟我在日本呆了两年后,又辗转去了新加坡。在新加坡国立大学Eda教授课题,我进入到了二维TMDC晶体生长这一新的领域。在摸索了一段时间用MoO3生长MoS2生长后,我们想通过湿法转移把MoS2晶体从硅基板上转移到器件基板上,并制作晶体管研究它的电输运性能。然而转移过程要用到氢氟酸或者强碱去刻蚀硅基板,这样势必会在MoS2中引入缺陷,影响它的电学性能。后来就想到用手头上的NaCl晶体作为基板来生长MoS2,后续只要用纯水就可以转移,避免了强酸碱的刻蚀。出乎意料的是,在生长实验中我们发现,不光NaCl晶体上,同时放入的硅片上也能长出质量非常好的单层MoS2晶体。我和Eda教授讨论的结果是NaCl中的Cl和MoO3反应形成熔点更低,更易于挥发的MoOxCly,从而促进了MoS2的生长。这点倒不难理解,因为单质Br和I被广泛用于化学气相传输法生长大块二维TMDC晶体。在这一思路的指导下,我开始挑战更有难度的WSe2和WS2晶体的生长,因为WO2.9的熔点是1473 oC,难以挥发成为有效的气态前驱体。我通过在WO2.9中混入不同的卤盐进行化学气相沉积,发现含有Cl,Br,I的卤盐都可以在较为温和的条件生长高质量的WSe2和WS2晶体。这也是我们发表的第一篇工作的主要内容。虽然有半开玩笑的评价称“卤盐让二维材料的生长难度下降了五个数量级”,但是“卤盐1.0”生长技术有其固有的缺陷,比如说单层晶体产率低,均匀性和重复性不佳,副产物污染等;所以我们后来发展出符合真香定律,用了就回不去的“熔盐2.0”生长技术,具体就是使用像Na2MoO4,Na2WO4,NaVO3, NaReO4这一类熔盐来生长高质量的二维TMDC晶体。

InfoMat:站在科研者的角度,您如何看待课题的有序性和深度呢?您能否分享一些如何对研究方向深度挖掘的科研经验呢?

我觉得课题有序性和深度源于对一个课题的长期坚持和持续投入。从“卤盐1.0”到“熔盐2.0”,感觉更像是在开发软件。从最初发布的简单版本,到不断发布补丁/升级包来修复bug以及推出新的功能模块来逐步完善软件,让更多的人能从中受益。

科研环境,各有所长

InfoMat:我们了解到您博士毕业后一直在国外(比如新加坡、日本)从事科研工作,能否请您简单谈谈不同国家高校对研究生培养的差异以及科研环境的区别?您认为有哪些方面国内团队和课题组可以借鉴呢?

因为我所接触的样本非常有限,这里就拿新加坡国立大学(NUS)和日本国立材料研究所(NIMS)做个简单的比较吧,两者都是国际顶尖的研究机构,平台都很好,主要是软环境的差异。NUS给我的感觉是更自由和包容,不同课题组的研究生、博士后之间的合作非常容易,导师们对这种合作也往往持支持的态度,所以研究工作能比较顺利的进行。另外,大家做的都是一些比较热门和前沿的领域,年轻人在这样的环境里面能快速成长。在NIMS这边,导师对研究生们的要求通常会比较严苛。经过研究生阶段的科研训练,基本功都非常扎实,但交流合作会困难一些。如果研究生、博士后想跟别人合作则需要先请示导师,再经过导师之间沟通确认,才能决定能否合作。虽然这样的操作更符合规范,但也在无形中给年轻人之间的学术合作带来一定的壁垒。此外,日本这边整体不太看重论文,所以论文产出和影响力会相对其他地方弱一些。我们有时也开玩笑说来日本读研究生或者做研究就是一个贬值的过程。我觉得可以借鉴的地方是给研究生提供系统和严格的科研训练同时,给其足够的自由度来主导课题。两种体系的研究风格各有所长,NUS是比较西方化的,适合自己有独立想法扩展新领域的研究者。而NIMS比较东方化,更像师徒传承,可能适合还在起步阶段需要具体指导的研究者。当然,这也和研究方向有关,国大可能更适合发现新问题,而NIMS更适合围绕一个问题进行全方面的深入探索。

箴言赠语

InfoMat:作为InfoMat的青年编委成员,能否请您简单谈谈对期刊的期许和对期刊未来发展的建议?

首先,非常感谢InfoMat给我这个机会。随着我们国家科研实力不断增强,发展高水平国产期刊成为共识。InfoMat作为信息材料领域的旗舰期刊,影响力也越来越大,未来可期。作为青年编委,希望能和InfoMat一道服务读者和作者,通过发达的社交平台来宣传InfoMat上的优秀的论文,进一步扩大InfoMat的国际影响力,实现期刊、读者、作者多赢的局面。

InfoMat:您在选择团队研究生时,更看重学生哪方面的能力呢,您最注重培养他们的哪些品质,如何激发他们的科研创新和热情?

对于一个刚接触科学研究的学生而言,可能最重要的品质是对科学的好奇心。只有有了好奇心,他/她才会有主动性地去思考,去设计实验,一步一步地推进研究工作。我会侧重培养他们思考问题的能力,就是能从文献和实验结果里提炼出科学意义的能力。当然,对低年级的研究生,练好手艺,掌握好实验的能力和技巧也是非常重要的。对科研的兴趣和热情,也不是凭空而来的,可以通过有效的沟通来形成一个正反馈的机制。比如,刚开始可以做一些较为成熟的课题练手,这样学生容易取得自信,再慢慢引导他们探索一些新的课题。

InfoMat:对于刚开始踏入二维材料领域的研究生们,您有什么建议和经验分享给他们吗?

二维材料是一个相对新的领域,刚入门的研究生可以读一些经典的综述文章,对大的领域有一个全局的概念,然后再从中选取感兴趣并且和课题组契合的领域开展科研工作。此外,也不要太拘泥于文献,及早开始做一些自己的研究,在研究中不断补充学习。