物理結(jié)碩果 表面生新枝——記中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員郭建東

本刊記者 姜曉宏

物理結(jié)碩果 表面生新枝
——記中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員郭建東

本刊記者 姜曉宏

專家簡(jiǎn)介：

郭建東，中國(guó)科學(xué)院物理研究所表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。1996年于中國(guó)科技大學(xué)本科畢業(yè)，2001年于中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究生畢業(yè)，獲得理學(xué)博士學(xué)位。同年赴美國(guó)田納西大學(xué)及橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室作博士后研究。2005年回國(guó)工作，獲得中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”支持?，F(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、課題組長(zhǎng)；中國(guó)物理學(xué)會(huì)表面與界面專業(yè)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)；國(guó)際學(xué)術(shù)期刊International Journal of Modern Physics B、Modern Physics Letters B和Frontiers of Physics編委。

訪問(wèn)中國(guó)科學(xué)院物理研究所表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)頁(yè)，首頁(yè)上赫然顯示出這樣幾個(gè)醒目的大字：物理結(jié)碩果 表面生新枝。這是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主李政道先生1992年為表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所題的字。而這幾個(gè)字，恰好可以用來(lái)概括現(xiàn)任實(shí)驗(yàn)室主任郭建東在物理學(xué)研究領(lǐng)域所走過(guò)的道路。

科學(xué)殿堂露鋒芒

郭建東1996年畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)物理系，從一名普通的大學(xué)畢業(yè)生，成長(zhǎng)為國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的主任，這中間有多遠(yuǎn)的路要走？而他，從高中開(kāi)始，就對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，注定要走上物理研究這條道路。

“我覺(jué)得國(guó)內(nèi)高中物理的教學(xué)是很成功的，物理教材的內(nèi)容深入淺出，非常有趣，它避開(kāi)了繁瑣的數(shù)學(xué)公式，直接呈現(xiàn)給你許多新奇的物理現(xiàn)象和規(guī)律，使你感覺(jué)到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢砜茖W(xué)離我們的現(xiàn)實(shí)生活并不遙遠(yuǎn)，引發(fā)了我最初的探索興趣?！?/p>

大學(xué)畢業(yè)之后，郭建東報(bào)考了中國(guó)科學(xué)院物理所著名學(xué)者王恩哥的研究生。“當(dāng)時(shí)對(duì)物理的學(xué)科分支并不十分了解，但王恩哥院士一句，‘以后就跟著我干吧’，讓我覺(jué)得特別踏實(shí)，也就踏踏實(shí)實(shí)的在中科院物理所讀完了碩士和博士課程。”

有了濃厚的興趣支撐和知識(shí)淵博的導(dǎo)師指導(dǎo)，求學(xué)生涯就變得短暫而充實(shí)。在學(xué)校，郭建東如饑似渴地吮吸著知識(shí)的甘露，讓理想的種子破土而出。從1996年起，郭建東就開(kāi)始了在輕元素化合物低維結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)與新奇性質(zhì)上的研究，至2001年博士畢業(yè)，他主要利用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)高定向BCN納米管陣列與異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并研究納米管成分對(duì)其電子場(chǎng)致發(fā)射和光致發(fā)光性質(zhì)的影響。其間，郭建東赴香港科技大學(xué)物理系聯(lián)合培養(yǎng)一年，利用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和遠(yuǎn)場(chǎng)光譜儀研究碳納米管的光致發(fā)光性質(zhì)及其各向異性。2001年，郭建東完成了中科院物理所的博士課程，用一篇《輕元素多元納米管的研制和光致發(fā)光性質(zhì)》的畢業(yè)論文為自己的博士生涯畫(huà)上了完美的句號(hào)。

“王恩哥院士是迄今為止對(duì)我學(xué)術(shù)研究道路影響最大的人之一，他在科研上會(huì)給你很大自由，任你發(fā)揮，他并不喜歡干涉具體的研究計(jì)劃，但是他非常注重對(duì)學(xué)生和團(tuán)隊(duì)成員基本素質(zhì)的培養(yǎng)，你知道他始終在背后默默地關(guān)注著你的工作和生活，哪怕是很細(xì)小的成功或挫折。”

“王老師說(shuō)過(guò)的對(duì)我影響最為深刻的話就是：‘一定要放眼世界，在自己的領(lǐng)域做到最好。’這不僅成為了我個(gè)人奮斗的目標(biāo)，也代表著我作為物理學(xué)工作者對(duì)工作、生活態(tài)度的理解。”

博士畢業(yè)之后，郭建東被推薦到美國(guó)田納西大學(xué)及橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室作博士后研究。在那里，郭建東主要利用分子束外延和超高真空掃描隧道顯微鏡方法，研究半導(dǎo)體表面與金屬/半導(dǎo)體界面的微觀結(jié)構(gòu)及其金屬-絕緣體相變等相關(guān)現(xiàn)象的機(jī)理。并且發(fā)展了超高真空變溫四探針表面電輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合遠(yuǎn)紅外光電導(dǎo)測(cè)量，研究表面低維結(jié)構(gòu)中的臨界現(xiàn)象。

“幸運(yùn)”、“有趣”，郭建東這樣形容在美國(guó)的經(jīng)歷?！罢且?yàn)橛辛顺阶晕遥非髽O致的信念和目標(biāo)，使我感覺(jué)每天都有新東西可學(xué)，每天都有新的追求，而且能夠結(jié)交很多有著不同文化背景和宗教背景的優(yōu)秀的朋友，這一切大大豐富了我的人生閱歷?！?/p>

事實(shí)上在美國(guó)，郭建東的事業(yè)已做得風(fēng)生水起。而他本人，卻愈發(fā)想要為國(guó)家做些事業(yè)?！昂R依北風(fēng)，越鳥(niǎo)巢南枝”。人在遠(yuǎn)離家鄉(xiāng)故國(guó)的時(shí)候才往往發(fā)現(xiàn)自己對(duì)鄉(xiāng)土的熱愛(ài)。

2005年，郭建東獲得了中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”的支持，加入中科院物理所，自主設(shè)計(jì)并建成了超高真空低溫掃描隧道顯微鏡-氧氣分子束外延-四點(diǎn)微探針電輸運(yùn)測(cè)量聯(lián)合系統(tǒng)，主要研究分子束外延生長(zhǎng)氧化物單晶薄膜、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等的原子級(jí)精確控制方法，以及氧化物表面的新奇量子現(xiàn)象。目前已經(jīng)完成并啟動(dòng)多項(xiàng)國(guó)家重大科研項(xiàng)目。

研究示范樹(shù)榜樣

“您科研的領(lǐng)域是表面物理的實(shí)驗(yàn)研究，那么表面物理是研究什么的呢？”

“表面物理是上世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)交叉學(xué)科，與材料、化學(xué)以及電子器件的發(fā)展密不可分，同時(shí)也對(duì)這些學(xué)科發(fā)揮著巨大的推動(dòng)作用。表面科學(xué)的研究對(duì)象是材料表面幾個(gè)原子層之內(nèi)的區(qū)域，很難進(jìn)行直接的觀測(cè)，但是材料“表面”的性質(zhì)與其內(nèi)部有著明顯的差別，例如：很多半導(dǎo)體材料表面的原子排列與體內(nèi)不同，一些化合物表面的化學(xué)成分與體內(nèi)不同，材料表面還能吸附外來(lái)的原子或分子形成有序或無(wú)序的覆蓋層等等?！?/p>

“那表面物理這一學(xué)科與我們的實(shí)際生活有什么關(guān)聯(lián)呢？”

“可以說(shuō)，大多數(shù)物理、化學(xué)現(xiàn)象都可以描述為一系列表面過(guò)程，至少與其有關(guān)。一個(gè)經(jīng)典的例子就是德國(guó)科學(xué)家Gerhard Ertl對(duì)合成氨反應(yīng)中鐵催化劑表面吸附、分解、化合、脫附等一系列過(guò)程能量的分析，完美地描述了這個(gè)復(fù)雜而又非常重要的化學(xué)反應(yīng)，他也因此獲得了2007年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。近年來(lái)表面物理的研究還和微電子工業(yè)的發(fā)展緊密相連。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)微電子器件就是具有開(kāi)關(guān)特性的不同半導(dǎo)體材料的界面，隨著器件單元尺寸的不斷減小，它們所組成的集成電路功能更加強(qiáng)大，但是表面、界面特殊微觀過(guò)程的效應(yīng)也日益顯著。通過(guò)對(duì)器件材料表面的研究，表面物理可以對(duì)器件質(zhì)量做出評(píng)價(jià)，提出優(yōu)化器件功能的制備方法，而對(duì)表面、界面新奇量子現(xiàn)象的探索還將導(dǎo)致新型器件原理和結(jié)構(gòu)的提出。表面物理學(xué)已經(jīng)和材料科學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、催化化學(xué)等領(lǐng)域緊密地結(jié)合在一起，而表面物理研究所涉及的方法更廣泛地應(yīng)用于其它學(xué)科，所以表面物理學(xué)是一門(mén)綜合性很強(qiáng)、重要性日益顯著的學(xué)科?！?/p>

金秋的收獲與微笑，永遠(yuǎn)為了填滿更多期待的谷倉(cāng)，為了給更多人鋪設(shè)通向美好未來(lái)的坦途，作為表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，郭建東惜才、重才、愛(ài)才，十分注意年輕科研人員的培養(yǎng)，注意在工作中發(fā)揮他們的積極性，常常給予技術(shù)上的指導(dǎo)，思想上的幫助，生活上的關(guān)心，使他們熱愛(ài)科研事業(yè)，肯于鉆研技術(shù)，快速成長(zhǎng)。

據(jù)郭建東介紹，表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室著重于通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論的密切結(jié)合，開(kāi)展與信息科學(xué)、納米科學(xué)和能源科學(xué)有直接聯(lián)系的表面/界面研究。實(shí)驗(yàn)室近五年來(lái)發(fā)表文章約500篇，申請(qǐng)專利數(shù)十項(xiàng)，在表面物理相關(guān)學(xué)科的一些領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。研究工作得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)界的一致認(rèn)可，曾多次獲得集體和個(gè)人重要獎(jiǎng)項(xiàng)，如國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（2004年1項(xiàng)，2011年2項(xiàng)），中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就集體獎(jiǎng)（2005年），德國(guó)洪堡基金會(huì)（AvH）洪堡研究獎(jiǎng)（王恩哥院士，2006年），何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)（薛其坤院士，2006年），第三世界科學(xué)院院士稱號(hào)（王恩哥院士，2008年）等。

“盡管王恩哥院士和薛其坤院士現(xiàn)在一個(gè)在北大，一個(gè)在清華工作，但他們?yōu)閷?shí)驗(yàn)室做出的卓越貢獻(xiàn)為我們現(xiàn)在的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而且現(xiàn)在他們?nèi)匀灰恢痹趯W(xué)術(shù)上給予我們重要的支持和幫助?！?/p>

關(guān)于未來(lái)，郭建東說(shuō)他近期主要的研究方向是對(duì)氧化物人工低維結(jié)構(gòu)的精確控制生長(zhǎng)及其新奇物理現(xiàn)象與性質(zhì)的研究。他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)將利用掃描隧道顯微鏡（STM）、分子束外延（MBE）等手段，發(fā)展對(duì)氧化物薄膜、表面與界面的可控構(gòu)造方法，發(fā)揮表面物理基礎(chǔ)研究的優(yōu)勢(shì)，研究提高復(fù)雜過(guò)渡金屬氧化物（TMO）人工低維結(jié)構(gòu)優(yōu)異性能的途徑；同時(shí)發(fā)展更為有效的高分辨率綜合表征方法，在基礎(chǔ)物理的層面探索人工設(shè)計(jì)、調(diào)控TMO低維結(jié)構(gòu)的方法與原理。

物理科學(xué)研究之路坎坷而漫長(zhǎng)，郭建東從躊躇滿志的科大學(xué)子到學(xué)識(shí)淵博的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，歷經(jīng)歲月的磨礪，內(nèi)心仍然平靜而清澈。面對(duì)神秘莫測(cè)的物理世界，他的思考與探索從未停止，未來(lái)，他還將在這條道路上，繼續(xù)前行。