24岁成为博导,电子科大研究员用两颗钻石,让原子级厚度的材料变薄,可用于新型超高压传感器 | 专访

2021-05-07 18:36:39 DeepTech深科技

“我曾几度因为‘ 90 后博导’的标签上了热搜,也不知道是不是因为上了热搜,我又再一次站在这个舞台上。好一个复杂曲折的‘莫比乌斯环’,虽然看似经过两年又回到了(入职时的)起点,但却是两种完全不同的状‘态’,也从来没有停下过努力向前的脚步。”

2020 年秋季,在电子科技大学格拉斯哥学院开学典礼上,该校基础与前沿研究院的博导夏娟,代表全学院导师发言。本次采访中,她向 DeepTech 独家透露了这份演讲稿。

图 | 夏娟(来源:受访者)

夏娟是四川广安人,出生于 1994 年,4 岁上小学,24 岁成为大学老师。今年 27 岁的夏娟,主要研究凝聚态物理,其本科毕业于四川大学材料科学专业,博士毕业于新加坡南洋理工大学物理与应用物理系。

促使中国西部高校诞生首篇 Nature Physics 第一单位和通讯单位论文

几个月前,夏娟以第一作者和共同通讯作者身份,让中国西部高校诞生了首篇以第一单位和通讯单位发表在 Nature Physics 的原创研究论文,其他合作者有电子科大王曾晖教授、南工大闫家旭研究员等。

论文题为《二硒化钨 - 二硒化钼双层异质结的层间强耦合及高压调控研究》(“Strong coupling and pressure engineering in WSe2-MoSe2 heterobilayers”)。

图 | 相关论文(来源:受访者)

俗语称,人无压力轻飘飘,井无压力不出油。这不仅适用于教育学和心理学等领域,也同样适用于物理学。

本次研究中的金刚石对顶砧(DAC)装置,其主要构成部分是两颗尖对尖的钻石,也就是金刚石压砧。其中,两颗金刚石尖顶之间的极小垫片包裹着钻石。

图 | 金刚石(来源:Pixabay)

夏娟表示,当推动金刚石压砧中的两颗金刚石相向而行时,金刚石尖顶之间的空间被急剧压缩 ,空间中除了样品 ,还充满了硅油等液体传压介质,由此可见实验难度非同一般。

而垫片就像紧箍咒一样,可以紧紧箍住液体传压介质,从而让其 “无处可逃”,这时样品所处空间的压强就会急剧上升 ,进而会给样品施加可达百万个大气压的超大 静水压 。

谈到这里,她举例称,这和潜水员潜入深海时会受到不断增加的水压,是一样的道理。

(来源:受访者)

本次研究中,她利用可产生百万大气压强的 DAC 装置,对比千分之一蝉翼厚度还要薄的二维异质结材料,实现了高效压缩,并系统研究了二维异质结的层间激子发光、电子能带结构等物理特性随压强变化的响应。

从结构上来说,这里的二维异质结可以认为是,通过特定方法把不同二维材料堆叠起来,从而生成新的二维材料体系。就好像把几片‘蝉翼’贴在一起,从而形成新的 “复合蝉翼”。

图 | 蝉翼(来源:Pixabay)

在实验凝聚态物理的研究中,“压强工程” (Pressure engineering) 是一个重要的调控材料物理特性的手段,它不仅能和电学研究以及原位光学相结合,还具备高效、连续、可逆等优势。

人类日常生活的压强是 1 个大气压,海底一万米的压强大约是 1000 个大气压,利用本次研究中的装置,可轻松实现 1000000 个大气压的高压。

她表示,本次研究很像是把二维异质结构这种 “复合蝉翼”,放到万吨水压机之间,用比泰山还重的极高压强,去让两片 “蝉翼” 贴合得更为紧密。

如此便可改变 “蝉翼” 间的相互作用,进而去观察上述施压过程,对整张 “复合蝉翼” 性能的调控作用。

而她研究的二维材料,通常是原子级别的厚度,连蝉翼厚度的千分之一都不到。夏娟表示,在对微小样品施加超高压强上,金刚石对顶砧装置拥有得天独厚的优势,也是一个十分强大的实验手段。

据了解,金刚石顶部砧面的直径一般仅有几分之一毫米,这大概是几根头发丝加起来的直径。

因此,在这项研究中,通过使用 DAC 高压技术,对顶放置的两颗钻石的微米级砧面处,可产生接近地心压强的超高静水压环境,进而可给二维材料体系带来 30% 以上的体积变化,如此便可大幅、且高效地调控所研究的材料体系。

图 | “压强工程”:用金刚石对顶砧对二维异质结层间距离及激子行为实现高效调控(来源:受访者)

在光电器件以及高压传感器方面具有独特潜力

由于 “层内共价键 - 层间范德华作用” 的结构特性、及其多样化的能带匹配和层间耦合作用等特点,二维范德瓦尔斯异质结构可表现出丰富的光学、电学和光电特性,在制备新型光子器件、电子器件和光电器件上具有独特潜力。

尤其是具有强层间耦合作用的二维范德瓦尔斯异质结,其层间激子行为非常显著,在信息器件领域的应用前景更佳。

但是,二维范德瓦尔斯异质结的层间激子,对于层间距离十分敏感。因此,利用压强等外界调控手段,来改变二维范德瓦尔斯异质结的间距离,可实现对层间激子及相关物理特性的高效调控。

图 | 金刚石对顶砧 (DAC) 调控二维异质结独特层间距及层间耦合作用示意图(来源:受访者)

基于此,在获得层间强耦合 WSe2-MoSe2 二维范德瓦尔斯异质结的基础上,利用其层间距离、可被外界压强高效调控的特点,夏娟采用 DAC 装置顺利实现了高压下微观结构和物理特性的原位调控。

此外在实验中,她还观察到了这类二维异质结的层间激子行为,在一万个大气压 (1 GPa) 周围发生的明显变化,在理论计算该二维异质结、在不同压强下的电子能带结构之后,她成功解释了这一独特的突变现象。

图 | 本工作所使用的层间强耦合二维异质结 WSe2-MoSe2 的形貌、结构,及其强耦合特性带来的独特激子行为(来源:受访者)

事实上,以过渡金属硫化物 (TMDC) 为代表的二维层状半导体材料,由于其独特的微观结构、以及优异的物理化学性质,如原子级厚度、理想的禁带宽度、高电子迁移率等,已经在光电传感、自旋 - 谷电子器件、场效应晶体管等电子及光电子领域引起全世界的研究热潮。

值得一提的是,层间范德瓦尔斯相互作用,是二维材料和其异质结所具有的独特性质,通过对其进行高效地调控,便可大幅度改变二维材料的物理特性。

在近几年的研究中,夏娟通过堆垛、压强和应力等手段,实现了对于二维 TMDC 层间耦合作用的高效调控,也实现了与之相关的结构、光学和光电等物理特性的高效调控。

具体而言,她利用仅具有不同堆垛方式、但相同厚度的同一种材料,来设计并制备出一些纳米电学和纳米光电器件,这能给未来基于这类新型材料的超快、超薄、超平器件的实现提供一些理论和实验依据。

同时,利用 DAC 技术提供的超高压强,实现了对二维异质结中层间耦合作用的高效调控,而这能推动基于这类二维范德瓦尔斯异质结的新型激子型器件研究,也可为新型信息器件的探索和应用提供新思路。

尽管该工作属于基础型物理研究,但也具备一定应用价值。无论是在高压下开展基于新型敏感材料的物理特性研究,亦或是开发新型超高压传感器,都可以借鉴本次成果。

此外,对于推动中国深地深海探测技术进步,加速页岩气等现代能源产业的发展,本次研究也具备相应的科学意义和应用价值。

“请将每天用到极致,无论学习还是玩耍”

截至目前,夏娟已荣获 2017 年度中国优秀自费留学生奖、2018 年度南洋理工大学女科学家奖等奖项, 2018 年入选电子科技大学 “百人计划”。并于去年入选 “2020 中国十大新锐科技人物”

图 | 夏娟采访诺奖得主(来源:受访者)

目前,她还担任 Chinese Physics Letters(CPL)、Chinese Physics B(CPB)、《物理学报》和《物理》四刊联合青年编委。

图 | 夏娟参加活动(来源:受访者)

2018 年频上热搜之后,她坦言:“除了感慨当今自媒体的速度和流量,以及面对一些恶言相向的质疑之外,(但)更多的是感受到了来自整个社会的关心”。

面对质疑,她在回复同学的信件中表示:“爷爷是我没敢在文章里提到的人,但却是我对这个世界开启求知和好奇的启蒙人。高考的前一个月,我得知了爷爷去世的消息,紧接着的那一次高考模拟测试排名下滑至三十名开外,老师和家人也开始为我担忧,但还是变着法儿地鼓励我去够那个清北梦...... 最后发现分数可以上川大的时候,他们(夏娟父母和哥哥)笑着笑着就哭了,哭完了继续笑,然后拥抱,庆祝......”

图 | 夏娟课后与本科生交流(来源:受访者)

2020 年秋季,已经开始传道受业解惑两年有余的夏娟,在开学典礼演讲的最后,给学生们留下了这样的建议:“请不要抱憾过去,更无须空想未来;请将每天用到极致,无论学习还是玩耍;请珍惜属于你们的时代...... 用力地绽放吧。”

-End-

参考:

https://www.nature.com/articles/s41567-020-1005-7

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