「创新达人」黄元：坚定科研创新人生执着二维材料制备
中国高新科技期刊社2020-12-21 16:29
2004年，曼切斯特大学AndreGeim研究组利用机械解理技术，首次获得累原子级厚度的石墨材料——石墨烯，影响了世界各国材料科研领域的专家学者。作为一名典型的“80后”，阳光、独立、对生活和工作充满热情的黄元同样受此热潮的影响，在攻读研究生期间，对石墨烯表现出了浓厚的研究兴趣，并在二维材料制备技术领域连续取得了多个突出成果，为国家的科技发展做出了突出贡献。
全情投入，颠覆创新
“好的科研成果不仅需要天赋和灵感，更需要勤勤恳恳埋头苦干。”1987年出生的黄元，目前已经是中科院物理所副研究员，并在2019年入选中科院青年创新促进会，同年担任科技部国家重点研发计划（青年项目）首席科学家。这一切，与他独特的科研态度是分不开的，而这种态度绝非一朝一夕就能养成的。
二维材料家族种类繁多，涵盖绝缘体到半导体、导体和超导体，有着丰富的物理性质，是目前凝聚态物理、信息科学和材料科学领域最前沿的研究方向。石墨烯无疑是当前二维材料研究中的重中之重，因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质。例如，石墨烯只有一个碳原子层，是目前发现的最薄的材料，拥有最大的比表面积，并且在传导性和稳定性方面性能卓越，特别是具有非常高的热传导性和电传导性。因此在十几年的研究中，无论是理论方面还是应用方面，都深深吸引着众多科研工作者。
黄元接触单原子层的石墨烯是在2011年，当时他正在攻读研究生，并以国际交流学生身份赴新加坡国立大学石墨烯中心学习，可以说，那也是他在二维材料领域进行探索的开始。
据悉，想要研究二维材料最本征的性质，必须首先制备出高质量的二维材料，而在多种制备二维材料的方法中，机械解理技术一直都是研究二维材料本征物性最理想的制备方案。然而，虽然机械解理技术用的人很多，但是研究这项技术的人却很少。而黄元当时的合作导师交给他的第一个任务就是解理石墨烯，这在很多人看来几乎是难以完成的，但却激起了他的挑战欲。
越努力，越幸运。虽然黄元在近一年的尝试中，并没有取得太大突破，解理得到的样品仍然非常小，只有几个微米，并且效率很低。但他始终没有放弃，反而更加努力，经过仔细分析之后，他发现二维材料表面和基底之间的范德瓦尔斯相互作用是制约解理面积和产率最关键的因素。以此为突破点，他又经历了无数次的反复尝试，最终找到了一种利用氧气等离子体辅助高效解理大面积高质量石墨烯等材料的新方法，该方法不仅极大克服了常规方法制备效率低、样品尺寸小等方面的限制，且相较于传统制备工艺，在面积上可以提高十万倍以上，得到了国内外顶级科研团队的高度关注。美国物理学会（APS）会士哥伦比亚大学TonyHeinz教授、美国麦克阿瑟“天才奖”获得者MarkC.Hersam教授、美国MIT大学Kim教授、韩国科学院院士YoungHeeLee等多个国际顶尖团队，在多篇顶级学术期刊中都对这一解理技术给予了充分肯定。
据黄元介绍，二维材料的制备对于基础研究和未来电子器件的应用都至关重要，机械解理技术最早用来制备石墨烯，是打开二维材料大门的金钥匙，这种方法制备的样品具有其他技术难以比拟的极高的质量，因而被广泛应用于二维材料本征物性的研究中。如今，他研发的新方法已经被广泛应用于石墨烯和其他二维材料的制备，对于抢占二维材料研究的先机至关重要，在未来二维电子信息器件方面也具有重要的应用潜力。
志存高远，攀登高峰
敏锐的灵感、独特的观察力、唯实的品格、永不气馁的精神，在黄元这位年轻的科学家身上体现的淋漓尽致。2013年获中科院物理所博士学位后，他曾赴美国布鲁克海文国家实验室（BNL）、韩国基础科学研究院多维碳材料中心（IBS，CMCM）从事博士后研究，这期间，他在之前研究的基础上，系统掌握了二维材料中最常用的2种制备方法——CVD法和机械解理方法，为后来他能够独立发展出机械解理技术奠定了坚实的基础。
近年来，基于大面积高质量的解理样品，黄元深入研究了石墨烯、二硫化锡、二硫化钼等材料的场效应晶体管，光谱和化学活性等，为探索二维材料的物性，优化二维材料器件加工工艺，提供了重要的信息。
黄元提出，很多人都认为机械解理技术非常简单，几乎没有任何可以调控的参数用来提高产率和面积。殊不知，在真正深入思考之后就会发现，解理过程中包含了很多表面物理中的科学问题。而一旦在制备方面取得突破，将会对探索更多新材料体系起到至关重要的作用。他还表示，石墨烯已经被成功制备15年之久，很多基础研究都已经完成，剩下的更多是难缠的“硬骨头”。黄元深信，中科院物理所作为“国家队”，有条件和实力，也有义务，去啃下这些“硬骨头”。
黄元回国后加入了中科院物理所超导国家重点实验室，这里有我国超导研究领域最强的队伍，在国际超导科学研究领域有着非常重要的地位，实验室主任周兴江研究员，更是在高温超导材料和其他量子材料的光电子能谱研究方面拥有独特造诣，并对黄元的工作给予了极大的支持。
在新的环境中，黄元接触到了二维超导材料，对此，他表示，超导材料从发现至今已有上百年历史，但依然存在许多重要科学问题有待解决。二维超导材料与块体材料相比结构更简单、物性更丰富，并且具有高度可调控性，这为解决长期以来超导领域的重要科学问题提供了新的思路。因此，他相信，如果将二维材料的超导性质研究清楚，对于深入理解超导机理尤其是高温超导材料机理，将非常有帮助且意义重大。
为了验证这一理论的正确性，黄元和团队共同努力，仅用两年的时间便找到了探测二维材料能带结构的新思路，并在国际上首次在大面积单层WSe2上观察到清晰的能带结构。尽管WSe2仍然属于二维半导体材料，但这一工作为后续研究其他二维超导材料的超导机理打下了坚实的基础，对于理解超导配对机制提供了新的契机。
与此同时，黄元和团队还在积极探索调控二维材料物性的新方法，以及二维材料器件加工工艺的优化方案。他表示，在二维超导材料中，利用静电场可以有效调节材料载流子类型和浓度，从而获得连续的超导相图。应变，则可以作为调节超导电性的重要手段。在外延生长的二维超导材料中，人们已经观察到了应变对于超导电性的显著调节作用。在不懈的努力下，他们已经找到了制备层状材料特殊结构的普适性方法，可以实现褶皱和气泡等特殊结构的加工，这种结构有利于深入研究应变对于超导电性的调节规律。
崇尚理性、勇于探索、实事求是的科学精神，总能让黄元产生无穷的动力，先后在NaturePhysics、PRL等国际知名杂志共计发表SCI论文40余篇，其中第一作者（含共同一作）及通信作者文章20篇，充分证明了他的探索精神。他积极投身于科学研究的实践，逐步凝练出所要研究的关键性科学问题，形成解决问题的方法学，这正是他能够在高质量大面积二维材料的制备方面始终保持着国际领先优势的秘诀。因此，他将始终保持着这份探索精神，揭秘更多的未解之谜。
坦诚执着，迈向未来
冰冻三尺，非一日之寒。科研成果的取得也离不开一代代研究者在继承的基础上不断创新，开创新篇。良好的传承是研究事业取得大成的重要条件，所以做好教学工作与科研本身一样重要。黄元毕业于中科院物理所，如今回到这里，除了用自己的所学所悟促进物理所二维材料科研发展外，他更希望将一种砥砺勤勉的科研态度传授给更多的学生，为我们国家的科学发展和人才培养做出实实在在的贡献。
有着多年留学经历的黄元发现，国外的导师们虽然对于自己的研究方向有一些“计划性”的把握，但是对于研究过程中出现的“意外”，也会鼓励学生去深入挖掘，有些“发散式”的特点。因此，他也希望把这些经验传播给更多的人，让学生真正找到自己的兴趣点，去努力，去实践，实现自己的人生价值。
回国时间虽不长，但黄元已培养硕士研究生3名，在读博士1名。他说，自己也还是一个青年科研工作者，在以后的工作中会坚持“教学相长”，与学生们共同进步。谈及对学生的期待，他表示，首先专业基础一定要扎实过硬；其次，在当今这个时代，沟通能力非常重要，学科之间的交流、同行之间的合作，都需要出色的沟通能力。另外，科研工作不仅需要经验丰富的导师，也需要有创造力的年轻研究生，如何调动学生的主观能动性，让学生更加具有创造力是一个导师需要不断思考的问题。“这个问题没有标准答案，需要针对不同的学生，因材施教地培养。”他说。
过人之处必有过人之举。列车之所以成功运行，就在于恒久行驶在博识求精与厚德至善铺就的道轨上。为了实现心中的梦想，黄元选择了“笨鸟先飞”的研究苦旅。在工作上，他一向没有节假日的概念，除非实在没有思路，才会暂时休息两天。他坦言科研的魅力就在于那些偶然的小发现所带来的意外惊喜。
生活中的黄元酷爱体育，篮球、足球、乒乓球和长跑均有涉猎。2019年他还参加了伦敦全程马拉松，他说长跑运动对他而言不仅是锻炼身体，更重要的是为了挑战自我、磨练意志。确实，回国时间不久的他可以用非常忙碌来形容，不仅目前正在主持国家重点研发计划（青年项目）1项，基金委面上项目1项，中国科学院青年创新促进会会员基金；参与国家重点研发计划变革性关键技术1项等，还先后应邀前往新加坡、澳大利亚、德国、美国等多个国家开展交流合作，与国内外20多家单位开展了密切合作，建立了良好的科研合作伙伴关系。
黄元的“发散思维”总是能让他给出一些令人意想不到的想法，例如，他发现二维材料制备过程中产生的一些褶皱结构，与地质现象有相通之处，地球上的很多山脉与二维材料中的褶皱非常类似，它们在形成褶皱结构之后会使得层间距明显增加，从而为一些流动性物质提供天然通道，两者的对比研究对于理解一些地质活动机理提供了一个崭新的视角。他觉得，这一结论或许可以为地质学家开展地震、火山和矿藏勘探等研究提供一些新的启发。
浩荡东风催征人，疾舸扬帆正当时。在二维材料的制备与探索中，还有更多奥秘等待着黄元去揭开，为此，他将带着那份梦想，步履铿锵、激情满溢，迈向未来。
撰稿：朱晓苹
（转自《中国高新科技》杂志2020年第7期）
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