周樹云：踏上二維材料的“新大陸”

劉禛

從清華物理系學(xué)生到成為清華物理系教授，周樹云的人生經(jīng)歷簡單又夢幻。簡單的是她的工作和生活都在學(xué)校里，夢幻的是她所從事的學(xué)科研究總能發(fā)現(xiàn)“秘密”。

周樹云領(lǐng)導(dǎo)一個由十來位博士生組成的實驗室，研究“石墨烯”“拓?fù)浒虢饘佟薄罡谀蹜B(tài)物理領(lǐng)域，運用“角分辨率光電子譜”技術(shù)，在石墨烯、第二類拓?fù)浒虢饘?、過渡金屬硫族化合物、新型拓?fù)洳牧弦约爱愘|(zhì)結(jié)等新奇電子結(jié)構(gòu)研究方面做出了重要的貢獻(xiàn)。

2017年，周樹云榮獲第十三屆“中國青年女科學(xué)家獎”稱號。

高深的“石墨烯”在她眼里就像堆積木

在電影阿凡達(dá)里，導(dǎo)演通過電腦特技向我們描繪了一個虛構(gòu)的星球——潘多拉。強大的人類艦隊跨越幾個光年來到這里，不惜破壞這里的生態(tài)，屠戮原住民，為的就是得到這個星球上一種特殊的資源：Unobtainium。這種元素，在地球上售價是2000萬美金一公斤。這個在電影里一閃而過的特殊材料“unobtainium”翻譯成中文的字面意思，其實叫“難得的元素”。這可不是編出來的詞兒，在航空領(lǐng)域，人們用“難得的元素”形容性能完美的材料，比如輕得像空氣卻堅硬得像鋼鐵。

而今天，一種全新的材料，正在接近人類夢想中的“難得的元素”，這就是石墨烯。它和我們常見的石墨棒和鉛筆芯一樣，全是由碳原子組成，只不過，它只由一層碳原子在平面上構(gòu)成，可以說它的特點就是薄，薄到不能再薄。根據(jù)已知信息，它的厚度僅為頭發(fā)絲的20萬分之一，強度是鋼的200倍，是世界上已知最薄最輕最強的材料，如果用石墨烯打造快速充電的手機，20秒就能把手機充滿。而周樹云正是國際上最早利用角分辨光電子譜研究石墨烯研究者之一。

2002年從清華物理系畢業(yè)，她去美國加州伯克利大學(xué)攻讀博士學(xué)位。2007年獲得博士學(xué)位后，她在伯克利國家實驗室先后以博士后和項目科學(xué)家的身份工作了四年。2012年，周樹云回到母校清華大學(xué)，成為中國物理學(xué)界最年輕的女科學(xué)家之一。

普通人覺得枯燥深奧的物理研究，在周樹云眼里卻是一條無比歡樂幸福的道路?！斑@就像最簡單的樂高積木，可以搭建成各種想象不到的東西一樣。把研究透徹的不同材料進(jìn)行‘拼接后，它們之間的相互作用會產(chǎn)生原來單個材料所沒有的、更加有意思的特性，有一些特性甚至是超出我們預(yù)想的?！?h3>搞科研，進(jìn)一寸有一寸的歡喜

主宰電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展幾十年的“摩爾定律”即將走到尾聲——單純依靠縮小晶體管尺寸的做法，不僅受到工藝成本的限制，還將帶來棘手的功耗和散熱問題。

近年來，全世界對石墨烯等二維材料的研究進(jìn)行了巨大的投入，就是希望從中找到能夠替代硅的理想半導(dǎo)體材料。周樹云表示：“過去十幾年，人們發(fā)現(xiàn)雖然石墨烯具有一些非常奇特的性質(zhì)，但它卻缺乏半導(dǎo)體器件的重要特征——能隙。”

通過角分辨發(fā)射光譜學(xué)（ARPES），一種直接測量材料中的能帶結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段，可以揭示許多以前未被發(fā)現(xiàn)的新材料屬性。能帶結(jié)構(gòu)決定了一種材料幾乎所有的主要特性，就像生物體的DNA決定了生物的特性一樣?？梢哉f，能帶扮演著“材料DNA”的作用。2012年，周樹云組建了自己的實驗室之后，利用這些技術(shù)，她一方面尋找那些有潛力“超越石墨烯”的新型材料，一方面將熟悉的材料組合出全新的特性。

其中一類新型材料，是與石墨烯擁有相似蜂巢狀結(jié)構(gòu)的“過渡金屬硫族化合物”。該家族化合物中有許多成員仍缺乏研究和探索，例如二硒化鉑（PtSe2）。周樹云及合作者不僅首次成功制備了單層二硒化鉑，還揭示了該材料體系具有高達(dá)1.2電子伏特的能隙——這種石墨烯不具備的性質(zhì)，讓二硒化鉑在光催化作用和光電效應(yīng)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛能。實驗證實，單層的二硒化鉑具有半導(dǎo)體性質(zhì)，而多層累加的二硒化鉑“單晶”，則是一種新型拓?fù)洳牧稀鞍虢饘佟?。周樹云團隊順藤摸瓜，瞄準(zhǔn)了“過渡金屬硫族化合物”中的另一個材料體系二碲化鉬（MoTe2）——很快地，他們直接從實驗上證實了：低溫下的二碲化鉬具有理論預(yù)言中“第二類外爾半金屬”的特征。該研究成果為層狀材料實現(xiàn)拓?fù)潆娮訉W(xué)器件開辟了新的體系。

要尋找理想的材料，除了寄希望于新型材料體系之外，另一個策略則是將一些熟悉的材料進(jìn)行重新組合。周樹云所感興趣的“石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)”正是這樣的組合：層狀的氮化硼與石墨烯雖然原子排列十分相似，不過由于原子對稱性的不同，兩種材料的性質(zhì)差異很大——石墨烯具有“半金屬”性質(zhì)，而氮化硼則是不導(dǎo)電的絕緣體。將這兩種材料通過弱范徳華作用力結(jié)合、形成異質(zhì)結(jié)之后，其中的石墨烯出現(xiàn)了原本不具備的半導(dǎo)體性質(zhì)。她的團隊隨后利用角分辨發(fā)射光譜學(xué)（ARPES）技術(shù)，首次觀測并證實了石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)中的能帶結(jié)構(gòu)及能隙，用直接的測量結(jié)果，解決了該材料體系中有關(guān)能帶調(diào)控的若干關(guān)鍵科學(xué)問題。

“女博士”不另類，用科學(xué)的力量改變世界

周樹云所在的凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，無論國內(nèi)還是國外都存在懸殊的男女比例現(xiàn)象。不過，女性到底適不適合從事科研，從來都不是她考慮的問題——因為“身邊有很好的榜樣”。

周樹云提到，自己在留學(xué)期間的博士導(dǎo)師Alessandra Lanzara就是一位優(yōu)秀的女科學(xué)家：“我開始讀博士的那一年，也正是她到伯克利開始教職的時候。在幾年的時間里，我看到她是怎么樣一步一步從零開始建立小組，并且取得很好的研究成果。在這個過程中，她建立了家庭、有了孩子，工作和生活都處理得井井有條?！?/p>

得益于國家對科技的重視以及國內(nèi)整體科研環(huán)境的改善，目前我國從事科學(xué)研究、開發(fā)、傳播和應(yīng)用的女性科研工作者隊伍已日益壯大，其中不乏取得斐然成就的卓越女科學(xué)家。然而，由于傳統(tǒng)觀念和社會認(rèn)知的影響，持續(xù)投身科學(xué)并晉升高級職位的女性比例依然偏低。

當(dāng)一些同齡人進(jìn)入事業(yè)迷茫期的時候，周樹云卻覺得現(xiàn)在是最好的狀態(tài)——與曾經(jīng)的懵懂和迷茫相比，她現(xiàn)在更加明確自己的方向、能力和目標(biāo)。歲月并沒有在她臉上留下太多印記，閱歷卻為她帶來了成熟與篤定。