“芯”之所向 全力以赴
——記北京航空航天大學(xué)副研究員葉茂

倪海波

2018年4月17日凌晨，美國商務(wù)部宣布，將禁止美國公司向中興通訊銷售零部件、商品、軟件和技術(shù)7年，直到2025年3月13日。該消息一出，在我國國內(nèi)引起了軒然大波，上至中國政府，下至普通百姓都深刻意識到，中國自行設(shè)計(jì)、制造芯片已刻不容緩。一塊指甲蓋大小的芯片，如今已成為全球企業(yè)競爭、科技比拼的重要籌碼。

同年，還在美國密歇根大學(xué)攻讀博士的葉茂在導(dǎo)師推薦下，開始獨(dú)立負(fù)責(zé)一門研究生課程，主講芯片集成納米制造技術(shù)?？粗淌依锊煌w色、不同國家的學(xué)生，想到鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的中國芯片被美國“卡脖子”事件，站在講臺上傳授芯片集成納米制造技術(shù)的葉茂，心中越來越不是滋味。在密歇根冰天雪地的深夜里，有一個(gè)想法在他的腦袋里冒了出來：“我或許可以做點(diǎn)什么”。

當(dāng)這個(gè)想法越來越多地出現(xiàn)后，葉茂開始為回國做準(zhǔn)備了?！拔揖驮谙?，我既然掌握著芯片集成納米制造這門技術(shù)，為什么要留在美國給外國學(xué)生講呢，我應(yīng)該回到國內(nèi)去，給國內(nèi)的學(xué)生講這些知識?！睅状屋氜D(zhuǎn)奔波之后，2020年，葉茂正式加入北京航空航天大學(xué)。

春寒料峭，市場的需求，政策的加持，科研的創(chuàng)新……在“中國芯”迎來絕地反擊的“春天”里，葉茂就此蓄勢發(fā)力，向著更多的可能全力奔跑。

赴約一場成長

即便已經(jīng)跨入而立之年，葉茂的身上仍保持著最初的那種純粹：無畏無懼，一往無前；隨心而行，隨遇而安。

2007年，葉茂考進(jìn)華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。在大學(xué)期間，葉茂并不算一個(gè)特別勤奮和“聽話”的學(xué)生，他在學(xué)習(xí)上的動(dòng)力大多來源于興趣，喜歡做什么就去做什么。有一天，他突然萌生了“想出國去看一看”的想法，于是就自己準(zhǔn)備出國考試（托福和GRE），并拿到了獎(jiǎng)學(xué)金，去了美國密歇根大學(xué)攻讀機(jī)械工程碩士。

葉茂的碩士導(dǎo)師是一個(gè)印度人，在美國密歇根大學(xué)有著舉足輕重的影響力和地位。葉茂來到他的門下時(shí)，獲得了一份研究工作，以此可以全免學(xué)費(fèi)同時(shí)還有一份科研助理的工資，是很好的待遇。葉茂問導(dǎo)師：“我的成績不是最好的，簡歷也不是最漂亮的，這么好的待遇為什么給我呢？”

葉茂在超凈間內(nèi)

葉茂的導(dǎo)師回答說，因?yàn)樗X得葉茂在這項(xiàng)研究上很有自己的想法。在去美國之前，葉茂已經(jīng)和導(dǎo)師有過一些交流，在交流中，針對一些研究上的問題，他給出了多種解決方案，自此給他的導(dǎo)師留下了深刻的印象?！八X得這是我很大的一個(gè)亮點(diǎn)?！备S碩士生導(dǎo)師，葉茂從事了利用納米生物材料仿生骨支架的相關(guān)工作，并取得了一系列成果。

2014年，葉茂碩士畢業(yè)后原本打算直接工作。他坦言道：“我讀博士其實(shí)是一件十分偶然的事情?！碑?dāng)時(shí)，葉茂剛剛找到工作，偶然在一次學(xué)術(shù)報(bào)告上碰到了剛來到密歇根大學(xué)工作的Yasha Yi教授，通過交流，兩個(gè)人碰撞出了很多新的想法，然后他的博士生導(dǎo)師對他說：“我們或許可以實(shí)現(xiàn)它們（這些想法）”。就這樣，葉茂放棄了到手的工作機(jī)會(huì)，選擇繼續(xù)在密歇根大學(xué)攻讀電子與計(jì)算機(jī)工程博士。

葉茂的主要研究方向是芯片集成光電子器件與芯片集成納米制造技術(shù)。簡單來說，后者是為前者服務(wù)的，為了制造芯片集成光電器件，往往需要花大量的時(shí)間和精力在芯片集成納米制造技術(shù)上面。自2014年起，葉茂就進(jìn)入美國頂級（state of the art）大型芯片集成實(shí)驗(yàn)室勞瑞納米加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Lurie Nano Fabrication Facility）學(xué)習(xí)基于硅基材料的納米制造和芯片集成技術(shù)，并在之后的研究工作中逐漸掌握了這項(xiàng)技術(shù)。

在國外的學(xué)習(xí)期間，葉茂主要圍繞可見光波段光學(xué)超構(gòu)表面和超構(gòu)透鏡、醫(yī)用閃爍體的光抓取納米結(jié)構(gòu)及芯片集成激光雷達(dá)光學(xué)相控陣（OPA）器件等方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，取得了若干國際領(lǐng)先的重要成果。

葉茂開發(fā)了基于大折射率富硅基氮化硅的超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)與制造工藝體系，突破了可對抗刻蝕延遲的超構(gòu)透鏡和無色散超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)技術(shù)，解決了可見光波段光學(xué)超構(gòu)表面和超構(gòu)透鏡制造難度大、成本高及存在色散等難題，研制了基于可見光波段的光柵結(jié)構(gòu)超構(gòu)透鏡、線偏振超構(gòu)透鏡和具有聚焦結(jié)構(gòu)的超構(gòu)透鏡等集成光子學(xué)器件；他開發(fā)了可用于醫(yī)用閃爍體材料的光抓取納米結(jié)構(gòu)，極大地提高了常規(guī)醫(yī)用閃爍體的發(fā)光效率；針對芯片集成激光雷達(dá)中的核心偏光組件，他提出了基于光學(xué)相位矩陣（OPA）和光學(xué)超構(gòu)表面相結(jié)合的非機(jī)械式可控偏光方案，可極大地減小激光雷達(dá)的體積、重量和成本。相關(guān)成果已在領(lǐng)域內(nèi)知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文20余篇，授權(quán)國際專利1項(xiàng)。其中葉茂研發(fā)的可設(shè)計(jì)聚焦結(jié)構(gòu)的光學(xué)方法被世界知名科技評論《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）專題報(bào)道，并指出了此技術(shù)在未來芯片光刻行業(yè)具有重要應(yīng)用前景（文章題目為“為什么超構(gòu)透鏡即將為芯片制造業(yè)帶來革命”“Why metalens are about to revolutionize chip-making”）。

在國外學(xué)習(xí)和研究多年，葉茂與導(dǎo)師之間的關(guān)系更像是朋友和合作伙伴，這種關(guān)系一直維持到現(xiàn)在。葉茂說，他和他的博士生導(dǎo)師都是十分理想主義的人，總想著可以做出一些東西去改變世界。因此，他們的研究十分務(wù)實(shí)，往往會(huì)考慮一些前沿技術(shù)在工業(yè)界大規(guī)模應(yīng)用的可行性，比如研發(fā)比較前沿的超透鏡時(shí)要去研究如何降低成本，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

在與導(dǎo)師及其他老師的不斷交流中，葉茂越來越堅(jiān)定這種價(jià)值認(rèn)知：做出好的成果不是為了發(fā)論文，不是為了功與名，而是為了去改善人們的生活，讓這個(gè)世界變得更好。“我們一直在朝著這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)，我們在做出成果時(shí)，往往第一時(shí)間就會(huì)想到，這個(gè)能不能得到應(yīng)用？跟同行業(yè)相比，它的優(yōu)勢在哪里？我們做研究最終的目的一定是讓科研成果惠及人類，惠及世界。”葉茂說道。

就像是一場修行，葉茂在美國不斷汲取知識，增長見識，提升能力，迅速成長為芯片制造行業(yè)內(nèi)的知名青年學(xué)者。他表示：“芯片集成納米制造工藝的開發(fā)是非常費(fèi)精力的，但是當(dāng)你親手制造出40納米、20納米的結(jié)構(gòu)及器件后，你了解了芯片制造工藝的每一個(gè)細(xì)節(jié)，這都是非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)在，回過頭想一想，這是我在美國最大的收獲之一。”

奔赴旅程，忠于自己

即便已經(jīng)在國外打下了一片自己的天地，但是葉茂回國就職的道路依然不是順?biāo)斓摹?/p>

在美國待了7年多，葉茂不認(rèn)識國內(nèi)學(xué)術(shù)界任何人，只能在網(wǎng)上搜索求職，海投簡歷。好在當(dāng)時(shí)國內(nèi)很多學(xué)校都有海外青年論壇，一些高校對葉茂熱情地發(fā)出了邀約。于是，在2018年短暫的圣誕假期，他回國一次性跑了4所高校。但這不是一次成功的旅程，相比于葉茂拿出的一些納米制造技術(shù)和器件成果，他當(dāng)時(shí)碰到的老師們似乎對簡歷上論文的影響因子更感興趣。那年的冬天，他第一次知道還有論文分區(qū)這回事。

與麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室合作者留影

也曾有人勸葉茂先在一些高影響因子的期刊多發(fā)幾篇論文，再以此為臺階回國就業(yè)。思考過后，葉茂拒絕了?！拔一蛟S可以這么做，但這并不是我做研究的初心，研究成果的價(jià)值在于它是否能推進(jìn)其所在領(lǐng)域的進(jìn)步。我覺得能真正解決問題，能真正可以應(yīng)用上的研究就是好的研究?！奔幢?018年的那次短暫回歸沒什么收獲，但葉茂仍然堅(jiān)持回國的想法。博士畢業(yè)后，他繼續(xù)做了一年的博士后研究，將之前沒有完成的工作完成，并于2019年年底又回到了國內(nèi)。

這一次，葉茂遇到了懂他的“伯樂”——房建成院士。在經(jīng)過一番深入的交流之后，房建成院士對他說：“你的研究做得不錯(cuò)，我們很需要你這樣的做芯片集成光電子器件與納米制造技術(shù)方面的人才。相比論文我們更看重能實(shí)際應(yīng)用的成果，能解決問題，能真正有用且好用就行?！本瓦@樣，葉茂加入了北京航空航天大學(xué)，任副研究員。

“做研究，需要找到志同道合的人，我跟房院士的想法很一致，就是做出實(shí)際有用的東西。相比發(fā)文章，我們更在乎的是能不能把芯片集成事業(yè)做起來，在自己的領(lǐng)域制造出中國自己的芯片并付諸產(chǎn)業(yè)化，改變芯片工業(yè)的格局，使中國的芯片事業(yè)追上，甚至超趕美國?！比~茂說道。

相比于芯片的設(shè)計(jì)，芯片的制造才是制約我國芯片集成事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵“短板”。如何將光電子器件進(jìn)行芯片化，做得那么小的同時(shí)還降低成本，有完善的功能、好的性能、高的良品率，是一個(gè)較大的難題，而葉茂就為了解決這個(gè)難題而歸。

利用多年來在芯片集成光電子器件領(lǐng)域的研究積累，面向國家對關(guān)鍵測量與導(dǎo)航儀器的發(fā)展需求，葉茂回國后立即開展了芯片集成量子精密測量器件理論方法與制造技術(shù)研究工作，主要包括芯片集成原子磁強(qiáng)計(jì)、芯片集成原子陀螺儀、功能型光學(xué)超構(gòu)表面技術(shù)、面向商用的平面集成光學(xué)超構(gòu)透鏡等，致力于為我國在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵光電子芯片技術(shù)的突破提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。同時(shí)，葉茂還依托國家重大科研項(xiàng)目的開展進(jìn)行了相關(guān)平臺建設(shè)和教學(xué)工作。

從事科研成果多年，葉茂鮮少有負(fù)面情緒的時(shí)候?；仡欁约阂宦纷邅?，他說：“有問題就解決問題，我其實(shí)沒有那么多時(shí)間和精力去解決情緒上的事情?！?/p>

在美國時(shí)，雖然葉茂所在團(tuán)隊(duì)的資源不少，但是團(tuán)隊(duì)的人卻很少，只有他和他的師弟兩個(gè)博士。那些年，就是他們兩個(gè)人完成了一項(xiàng)又一項(xiàng)科學(xué)研究。在芯片集成光電子器件的制作過程會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。但是葉茂和他的師弟沒有一句怨言，只是埋頭工作，最終完成了多項(xiàng)具有嚴(yán)格工程指標(biāo)的科研任務(wù)。“其實(shí)，我們并沒有覺得很累，就是一方面有計(jì)劃地去做研究，另一方面發(fā)散思維多想辦法，多嘗試。我們沒有時(shí)間去想：這個(gè)好難，做不出來怎么辦？或者說，這個(gè)太難了，不想做了。這不可能，我們既然開始做了，就一定要做出來，而且要做好。”

回國時(shí)，雖然一開始沒有得到認(rèn)可，但是葉茂從未想過放棄。他想的還是：什么問題都是可以解決的，只要我把成果做出來，且能用上，總有一天會(huì)有人認(rèn)可的。正是這樣的樂觀、堅(jiān)韌的精神造就了現(xiàn)在的葉茂。

用現(xiàn)在，去未來

基于原子無自旋交換弛豫（SERF）效應(yīng)的原子磁強(qiáng)計(jì)是目前最高精度的磁場測量傳感器，其理論精度可達(dá)亞飛特量級，是目前戰(zhàn)略磁測量與醫(yī)學(xué)生物磁測量設(shè)備中的核心器件。原子磁強(qiáng)計(jì)的芯片化將極大地縮小目前器件體積（從傳統(tǒng)的厘米級縮小至毫米甚至微米級），降低功耗和成本，是未來高精度、微型化、陣列式量子磁傳感器件的必經(jīng)之路。多種軍用以及醫(yī)療裝備如微型量子導(dǎo)航系統(tǒng)、微型深海探潛系統(tǒng)、高分辨腦磁成像裝置和體內(nèi)介入式生物磁測量設(shè)備等，都對原子磁強(qiáng)計(jì)的芯片化提出了迫切需求。

2014年美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室受美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）和美國能源部核安全部門（DOE-NNSA）等多家單位的支持，開啟了微型芯片化SERF原子磁強(qiáng)計(jì)陣列（OPM）原理樣機(jī)的研制。此外美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）獲得美國策略環(huán)境與發(fā)展研究計(jì)劃（SERDP）資助，于近年開發(fā)了適用于芯片集成制造方法的垂直鍵合式原子磁強(qiáng)計(jì)原理樣機(jī)，率先開始了芯片集成原子磁強(qiáng)計(jì)的研究。同時(shí)，我國也在“十四五”規(guī)劃中明確提出了對芯片集成量子精密測量器件的迫切需求。而對原子磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行芯片化的核心就是解決芯片集成原子磁強(qiáng)計(jì)中光子學(xué)操控與耦合的問題，這是一項(xiàng)微納光子學(xué)、芯片集成納米制造和量子精密測量多學(xué)科交叉的卡脖子問題。

為解決這一技術(shù)難題，葉茂申請了自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“芯片化原子磁強(qiáng)計(jì)中集成光子學(xué)操控與耦合問題的研究”。在項(xiàng)目研究中，他將探索芯片級微小型原子磁強(qiáng)計(jì)中的精準(zhǔn)光學(xué)操控方法、光/量子耦合機(jī)制，在此基礎(chǔ)之上開發(fā)用于芯片化原子磁強(qiáng)計(jì)的集成光子學(xué)操控與耦合方案，最后結(jié)合微型原子系綜進(jìn)行集成光/量子耦合極弱磁測量實(shí)驗(yàn)，以期為實(shí)現(xiàn)芯片集成原子磁強(qiáng)計(jì)從無到有的突破奠定基礎(chǔ)。

芯片集成原子磁強(qiáng)計(jì)中光子學(xué)操控與耦合問題的解決，是突破現(xiàn)有瓶頸，開發(fā)高精度、陣列式、集成化精密量子測量系統(tǒng)的第一步，更是實(shí)現(xiàn)國家“十四五”規(guī)劃綱要提出迫切需求的高分辨腦磁成像、深海/深地磁探測，以及芯片化量子測量系統(tǒng)所要解決的核心問題。

葉茂制造的線偏振響應(yīng)超構(gòu)透鏡

葉茂制造的可設(shè)計(jì)聚焦結(jié)構(gòu)超構(gòu)透鏡

在更加貼近人們生活的應(yīng)用方面，葉茂也提道：“舉個(gè)例子，我們的手機(jī)里面有陀螺儀傳感器，雖然對于人們的生活已經(jīng)夠用了，但是其實(shí)還沒有到很理想的狀態(tài)。如果把量子陀螺儀做到芯片化，那手機(jī)的導(dǎo)航定位會(huì)更加靈敏和精確。目前，大部分自動(dòng)駕駛系統(tǒng)依靠激光雷達(dá)作為核心測距傳感器，但現(xiàn)在的雷達(dá)還是比較大，只能放在車頂，如果做到芯片化，不但可以減小體積，更重要的是降低成本，這樣一輛車上可以安裝多個(gè)不同維度掃描的芯片集成激光雷達(dá)，從而使自動(dòng)駕駛更加精確和安全?！?/p>

目前，相關(guān)的工作正在有序進(jìn)行當(dāng)中。葉茂表示，飯要一口一口吃，路也要一步一步走。制造中國自己的芯片不是一蹴而就的，但他愿意為了這個(gè)目標(biāo)不懈努力。

除此之外，葉茂以全美頂級的芯片集成超凈間實(shí)驗(yàn)室勞瑞納米加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室為模板，致力于建造芯片集成超凈間實(shí)驗(yàn)室體系。芯片集成超凈間實(shí)驗(yàn)室是微結(jié)構(gòu)微系統(tǒng)方向重要的實(shí)驗(yàn)制造平臺，它對未來整個(gè)電子、電氣、機(jī)械、材料、生物和光學(xué)等學(xué)科可以起到重要的支撐作用。不過，平臺的建設(shè)是一個(gè)長期的項(xiàng)目，初期的目標(biāo)是以建設(shè)百級的超凈間和氣體凈化內(nèi)循環(huán)體系，人員管理和使用體系為主。5年的預(yù)期目標(biāo)是可以在實(shí)驗(yàn)室里自行制造超越我國目前工業(yè)芯片精度的納米結(jié)構(gòu)。

“回國后，我發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的芯片發(fā)展已經(jīng)熱了。如雨后春筍般，很多制造芯片的實(shí)驗(yàn)室也都搭建起來了。但是，相對的，國內(nèi)缺少專業(yè)的設(shè)備調(diào)試、維護(hù)及工藝開發(fā)等相關(guān)人才。”雖然實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)已經(jīng)提上日程，但在前期的研究當(dāng)中，葉茂提出暫時(shí)使用國內(nèi)建設(shè)的公共納米制造平臺。他說：“因?yàn)閲以诮ㄔ煨酒圃鞂?shí)驗(yàn)室方面已經(jīng)花了很多錢了，我們要充分地利用好它們。相比于歐美一些成熟實(shí)驗(yàn)室，它們可能沒有足夠的工藝積累，但設(shè)備還是很好的。我們可以進(jìn)行合作，利用海外的工藝經(jīng)驗(yàn)一起開展研究攻關(guān)，提升精度，達(dá)到一個(gè)利益最大化。”

同時(shí)，葉茂也表示，為了技術(shù)的自主可控，肯定要建立自己的實(shí)驗(yàn)室，但是在這之前，首先要培養(yǎng)或引進(jìn)一批相關(guān)的人才，等搭建好成熟的人才儲(chǔ)備與管理體系，才能更好地助力實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)。

在北京航空航天大學(xué)，葉茂擬開設(shè)全英文芯片集成納米制造課程。這門課程目前在國內(nèi)學(xué)校還比較少見，即便在美國，也只有條件優(yōu)秀的幾所大學(xué)開設(shè)了。然而整個(gè)工業(yè)界對于電子和光學(xué)器件的趨勢都在往小型化、微型化方面發(fā)展，因此芯片集成納米制造技術(shù)不光是用來制造芯片，更是制造多種功能的新型納米結(jié)構(gòu)/器件的必經(jīng)之路。這項(xiàng)技術(shù)在未來必然會(huì)越來越普及。依托在美國教授這門課程的經(jīng)驗(yàn)，葉茂希望通過開設(shè)這門課程，使國內(nèi)學(xué)生更加了解這項(xiàng)技術(shù)，為我國培養(yǎng)更多的芯片集成納米制造方面的人才。

對于自己的學(xué)生，葉茂有著自己的要求和期望。一是，他希望學(xué)生擁有一顆強(qiáng)大的內(nèi)心，不能因?yàn)檠芯抗ぷ麟y而回避，甚至放棄，要有百折不撓的精神；二是，他希望學(xué)生可以將研究的過程變快樂一點(diǎn)，去享受科研的過程。“經(jīng)驗(yàn)是最寶貴的財(cái)富，哪怕這個(gè)事情你最終沒有做出來，但是過程中已經(jīng)積累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)。如果你不去嘗試，不去探索，怎么可能會(huì)獲得經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？我還是那句話，有問題解決問題，不要去逃避，不要放棄，要有把它干成的精神。”

打籃球，學(xué)習(xí)吉他，跟著短視頻練就一手好廚藝……工作之余的葉茂也很認(rèn)真地在生活。無論是工作，還是生活，他保持著自己的節(jié)奏，不驕不躁。對于未來，葉茂不做過多設(shè)想，也不會(huì)因?yàn)槲粗箲]，于他而言，唯一明確要做的事情，就是把握當(dāng)下、拼搏努力，全身心投入到自己熱愛的科研事業(yè)里。

葉茂制造的芯片集成激光雷達(dá)光學(xué)相控陣

葉茂制造的氮化硅超構(gòu)透鏡

葉茂制造的可設(shè)計(jì)聚焦結(jié)構(gòu)超構(gòu)透鏡