“85后”科学家韩拯：探索纳米积木的100万种可能

　　人物简介

　　韩拯，35岁，山西大学光电研究所教授、博士生导师，第20届山西五四青年奖章获得者。坚持以国家重大需求为导向，面向电子信息技术开展科学研究，在二维纳米人工复合体系的超导量子相变、电子光学、低维量子器件的电磁性能等方面取得创新性研究成果。首次实验观测到了pn 结界面上的电子负折射，相关工作被Physics World杂志评为2016 年度“物理学十大突破”。

　　人物寄语

　　“不忘初心，勇敢追求人生梦想。”

　　我们能用手拿得起来最薄的东西是什么？可能是一张A4纸，它的厚度大概是88微米；也可能是一根头发丝，它的直径大概在60至70微米；还可能是“薄如蝉翼”的昆虫翅膀，它可以薄到500纳米到1微米。

　　这些关于“薄”的研究，就是韩拯的科研探索。作为一名“85后”科研工作者，韩拯研究的，是尽可能找到二维世界里尺寸非常小的最薄功能材料，堆积成自然界中没有的新结构，探索其新奇有趣的物理性质，再利用这些物理现象来组装制造纳米尺度下的小型电子器件，来服务于未来的应用。

　　这个堆叠层状材料实现新结构的科研过程，被韩拯幽默地形容为“堆积木”。

　　把纳米当积木

　　探索“搭积木”的100万种可能

　　“我儿子今年5岁，每天都玩积木，我今年35岁，每天也在玩积木。”这是韩拯对自己科研方向的生动定位。

　　韩拯口中的“积木”，主体是一种功能材料——纳米。而“纳米积木”，就是指把不同的层状材料从不同的晶体中分离出来，再把它们组装到一起。这个把不同的层状材料进行堆叠的过程，可以堆积成自然界中没有的新结构，就类似于在拼“纳米积木”。

　　自然界中有10万种材料，其中约5000种是层状材料，如果将它两两组合或者三三组合，那么搭建“纳米积木”的可能性，甚至超过了100万种。韩拯要研究和探索的，就是这“纳米积木”的100万种可能。

　　

　　

　　▲纳米积木的堆叠过程

　　“纳米积木的体积和尺寸非常小，小到重量只有10的负14次方千克，也就是一百万亿分之一千克。”韩拯介绍，层状材料的尺寸越小，单位面积上集成的信息单元就越多，可以节约的空间也就越大。通俗解释，就类似于乘坐火车，如果只售卖卧铺票，容纳的乘客就不会太多，但如果把卧铺票改为站票，就可以让更多的人乘坐火车。

　　

　　▲韩拯（中）在实验室

　　放眼全球，“纳米积木”在环境、生物、国防安全、能源、微电子等各大领域，应用前景都颇为广泛。“例如可以用在能源领域，比如超级电容，因为它的面积非常大，质量却非常小。”韩拯搭建“纳米积木”所聚焦的领域，是纳米微电子。“我和团队主要研究功能材料在尺寸非常非常小的时候，有哪些有趣的物理性质和新奇的物理行为，并进一步利用这些有趣的物理现象来组装制造成纳米尺度下的小型电子器件，以实现新原理、新架构和未来潜在的应用。”韩拯说。

　　发现电子世界“交通新规”

　　构建原创存储器件

　　和宏观世界的交通规则一样，在二维微观世界里，受量子力学规律支配，电子运动也有着自己一套“交通规则”。2019年，韩拯和团队就发现了电子世界里的一条最新“交通新规”，并发表于国际顶级学术期刊《自然?通讯》。

　　这条“交通新规”，用专业术语来讲，就是“在晶格传输过程中，受外电场的影响，电子的导电特性沿着不同方向表现出了一定的差异。”通俗来讲，就是如果将电子传输通道和交通比喻成太原两条垂直的繁华街道，例如迎泽大街和青年路，当没有电场时，青年路是迎泽大街通过率的10倍左右，而一旦施加一定强度的外电场，这两条车道上的电子通过率差别可高达5000倍。

　　

　　▲科研中的韩拯

　　“也就是说，在电子的世界里，外电场扮演起了对电子传输进行‘交通管制’的角色。”通过这一突破性判断，韩拯和团队经过进一步研究，构建了各向异性二维碲化镓浮栅存储器件，并通过一次门电压擦写，在该浮栅操控的原型存储器件中实现了横纵两个方向信息存储。“从科幻角度来描述，这种材料可以制作成为一种新型存储器，当该存储器中一次性写入的数据，沿其中一个方向读取出来的是一本小说，而沿另一个方向读取出来的，则是一部电影。”韩拯的这一研究，让二维极限下碲化镓纳米电子器件展示出了门电压可调的、面内巨各向异性电阻效应，为实现新型的逻辑运算和存储单元提供了新思路。

　　

　　▲“给电子安装交通灯-- 二维各向异性电子器件”示意图

　　

　　▲浮栅寄存器示意图

　　韩拯的突破性研究，还远不止如此。

　　2016年，韩拯和团队首次实验观测到了pn 结界面上的电子负折射，研究出二维电子不同于光的折射，可以发生负折射，从而可以在特定条件下产生完美聚焦，实现了新的电子开关可能。这一研究，被Physics World杂志评为2016 年度“物理学十大突破”。

　　

　　

　　▲韩拯“亚纳米尺度鳍式晶体管”科研成果

　　到目前为止，韩拯和团队还成功实现二维本征铁磁半导体晶体管、制造出了世界上最薄的鳍式晶体管、在纳米电子学领域构建了新结构发现相应调控机理等多项创新性研究，发表SCI 论文30 余篇、美国授权专利1 项、中国授权专利1 项，申请中国专利4 项、欧盟专利2 项。

　　牵头创建山西科研平台

　　助推全省原创科研实力提升

　　“科技工作者就是要和未知与创新打交道，发现新的现象、探索新的规律，以进一步指导实践。”在韩拯看来，目前最关键的“实践”，就是要提高原创科研实力，解决纳米电子学领域的“卡脖子”技术难题。“只有通过原创研究才能掌握真正的科研核心，我们才能掌握主动，必要时还可以‘卡’别人的脖子。”韩拯说。

　　为提高原创科研实力，韩拯以山西转型发展为导向，牵头创建了山西大学“先进纳米结构加工与耦合表征”平台，瞄准新原理电子器件、新奇物理特性调控两个方向，实现核心技术突破，力争解决光电信息产业发展中的“卡脖子”技术难题。这一平台的创建，将不断增强我省在微电子技术、微纳加工制造领域的原创实力，为我省光电信息领域打造一流科研平台、产业创新平台、拔尖创新人才培养平台及高科技企业加速器和孵化器。

　　

　　▲韩拯（右排一）参加科研会议

　　“山西科技市场正在蓬勃发展，全省正在大力推进产业转型和科技创新，但相比沿海发达地区而言，还需要进一步提高科技对经济的支撑作用。”韩拯希望，可以和团队一起在未来的5-10年内，解决微纳加工的新工艺难题，完成一系列具有新功能的原理样机并努力进行相关产业转化，为山西半导体、微纳电子等高科技领域的发展提供助力，助推全省原创科研实力提升。

　　“愿望有多强烈，实现它的概率就有多大。”作为一名“85后”科学家，韩拯的愿望，也是他的初心——在纳米电子学领域潜心科研，做到从0到1的科研创新。

　　山西云媒体出品

　　采制：李倩倩

　　原标题：《“85后”科学家韩拯：探索纳米积木的100万种可能》