24歲成為博導,電子科大研究員用兩顆鉆石,讓原子級厚度的材料變薄,可用于新型超高壓傳感器 | 專(zhuān)訪(fǎng)
“我曾幾度因為‘ 90 后博導’的標簽上了熱搜,也不知道是不是因為上了熱搜,我又再一次站在這個(gè)臺上。好一個(gè)復雜曲折的‘莫比烏斯環(huán)’,雖然看似經(jīng)過(guò)兩年又回到了(入職時(shí)的)起點(diǎn),但卻是兩種完全不同的狀‘態(tài)’,也從來(lái)沒(méi)有停下過(guò)努力向前的腳步?!?/span>
2020 年秋季,在電子科技大學(xué)格拉斯哥學(xué)院開(kāi)學(xué)典禮上,該?;A與前沿研究院的博導夏娟,代表全學(xué)院導師發(fā)言。本次采訪(fǎng)中,她向 DeepTech 獨家透露了這份演講稿。
夏娟是四川廣安人,出生于 1994 年,4 歲上小學(xué),24 歲成為大學(xué)老師。今年 27 歲的夏娟,主要研究凝聚態(tài)物理,其本科畢業(yè)于四川大學(xué)材料科學(xué)專(zhuān)業(yè),博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)物理與應用物理系。
促使中國西部高校誕生首篇 Nature Physics 第一單位和通訊單位論文
幾個(gè)月前,夏娟以第一作者和共同通訊作者身份,讓中國西部高校誕生了首篇以第一單位和通訊單位發(fā)表在 Nature Physics 的原創(chuàng )研究論文,其他合作者有電子科大王曾暉教授、南工大閆家旭研究員等。
論文題為《二硒化鎢 - 二硒化鉬雙層異質(zhì)結的層間強耦合及高壓調控研究》(“Strong coupling and pressure engineering in WSe2-MoSe2 heterobilayers”)。
俗語(yǔ)稱(chēng),人無(wú)壓力輕飄飄,井無(wú)壓力不出油。這不僅適用于教育學(xué)和心理學(xué)等領(lǐng)域,也同樣適用于物理學(xué)。
本次研究中的金剛石對頂砧(DAC)裝置,其主要構成部分是兩顆尖對尖的鉆石,也就是金剛石壓砧。其中,兩顆金剛石尖頂之間的極小墊片包裹著(zhù)鉆石。
夏娟表示,當推動(dòng)金剛石壓砧中的兩顆金剛石相向而行時(shí),金剛石尖頂之間的空間被急劇壓縮 ,空間中除了樣品 ,還充滿(mǎn)了硅油等液體傳壓介質(zhì),由此可見(jiàn)實(shí)驗難度非同一般。
而墊片就像緊箍咒一樣,可以緊緊箍住液體傳壓介質(zhì),從而讓其 “無(wú)處可逃”,這時(shí)樣品所處空間的壓強就會(huì )急劇上升 ,進(jìn)而會(huì )給樣品施加可達百萬(wàn)個(gè)大氣壓的超大 靜水壓 。
談到這里,她舉例稱(chēng), 這和潛水員潛入深海時(shí)會(huì )受到不斷增加的水壓,是一樣的道理。
本次研究中,她利用可產(chǎn)生百萬(wàn)大氣壓強的 DAC 裝置,對比千分之一蟬翼厚度還要薄的二維異質(zhì)結材料,實(shí)現了高效壓縮,并系統研究了二維異質(zhì)結的層間激子發(fā)光、電子能帶結構等物理特性隨壓強變化的響應。
從結構上來(lái)說(shuō),這里的二維異質(zhì)結可以認為是,通過(guò)特定方法把不同二維材料堆疊起來(lái),從而生成新的二維材料體系。就好像把幾片‘蟬翼’貼一起,從而形成新的 “復合蟬翼”。
在實(shí)驗凝聚態(tài)物理的研究中,“壓強工程” (Pressure engineering) 是一個(gè)重要的調控材料物理特性的手段,它不僅能和電學(xué)研究以及原位光學(xué)相結合,還具備高效、連續、可逆等優(yōu)勢。
人類(lèi)日常生活的壓強是 1 個(gè)大氣壓,海底一萬(wàn)米的壓強大約是 1000 個(gè)大氣壓,利用本次研究中的裝置,可輕松實(shí)現 1000000 個(gè)大氣壓的高壓。
她表示,本次研究很像是把二維異質(zhì)結這種 “復合蟬翼”,放到萬(wàn)噸水壓機之間,用比泰山還重的極高壓強,去讓兩片 “蟬翼” 貼合得更為緊密。
如此便可改變 “蟬翼” 間的相互作用,進(jìn)而去觀(guān)察上述施壓過(guò)程,對整張 “復合蟬翼” 性能的調控作用。
而她研究的二維材料,通常是原子級別的厚度,連蟬翼厚度的千分之一都不到。夏娟表示,在對微小樣品施加超高壓強上,金剛石對頂砧裝置擁有得天獨厚的優(yōu)勢,也是一個(gè)十分強大的實(shí)驗手段。
據了解,金剛石頂部砧面的直徑一般僅有幾分之一毫米,這大概是幾根頭發(fā)絲加起來(lái)的直徑。
因此,在這項研究中,通過(guò)使用 DAC 高壓技術(shù),對頂放置的兩顆鉆石的微米級砧面處,可產(chǎn)生接近地心壓強的超高靜水壓環(huán)境,進(jìn)而可給二維材料體系帶來(lái) 30% 以上的體積變化,如此便可大幅、且高效地調控所研究的材料體系。
在光電器件以及高壓傳感器方面具有獨特潛力
由于 “層內共價(jià)鍵 - 層間范德華作用” 的結構特性、及其多樣化的能帶匹配和層間耦合作用等特點(diǎn),二維范德瓦爾斯異質(zhì)結構可表現出豐富的光學(xué)、電學(xué)和光電特性,在制備新型光子器件、電子器件和光電器件上具有獨特潛力。
尤其是具有強層間耦合作用的二維范德瓦爾斯異質(zhì)結,其層間激子行為非常顯著(zhù),在信息器件領(lǐng)域的應用前景更佳。
但是,二維范德瓦爾斯異質(zhì)結的層間激子,對于層間距離十分敏感。因此,利用壓強等外界調控手段,來(lái)改變二維范德瓦爾斯異質(zhì)結的間距離,可實(shí)現對層間激子及相關(guān)物理特性的高效調控。
基于此,在獲得層間強耦合 WSe2-MoSe2 二維范德瓦爾斯異質(zhì)結的基礎上,利用其層間距離、可被外界壓強高效調控的特點(diǎn),夏娟采用 DAC 裝置順利實(shí)現了高壓下微觀(guān)結構和物理特性的原位調控。
此外在實(shí)驗中,她還觀(guān)察到了這類(lèi)二維異質(zhì)結的層間激子行為,在一萬(wàn)個(gè)大氣壓 (1 GPa) 周?chē)l(fā)生的明顯變化,在理論計算該二維異質(zhì)結、在不同壓強下的電子能帶結構之后,她成功解釋了這一獨特的突變現象。
事實(shí)上,以過(guò)渡金屬硫化物 (TMDC) 為代表的二維層狀半導體材料,由于其獨特的微觀(guān)結構、以及優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì),如原子級厚度、理想的禁帶寬度、高電子遷移率等,已經(jīng)在光電傳感、自旋 - 谷電子器件、場(chǎng)效應晶體管等電子及光電子領(lǐng)域引起全世界的研究熱潮。
值得一提的是,層間范德瓦耳斯相互作用,是二維材料和其異質(zhì)結所具有的獨特性質(zhì),通過(guò)對其進(jìn)行高效地調控,便可大幅度改變二維材料的物理特性。
在近幾年的研究中,夏娟通過(guò)堆垛、壓強和應力等手段,實(shí)現了對于二維 TMDC 層間耦合作用的高效調控,也實(shí)現了與之相關(guān)的結構、光學(xué)和光電等物理特性的高效調控。
具體而言,她利用僅具有不同堆垛方式、但相同厚度的同一種材料,來(lái)設計并制備出一些納米電學(xué)和納米光電器件,這能給未來(lái)基于這類(lèi)新型材料的超快、超薄、超平器件的實(shí)現提供一些理論和實(shí)驗依據。
同時(shí),利用 DAC 技術(shù)提供的超高壓強,實(shí)現了對二維異質(zhì)結中層間耦合作用的高效調控,而這能推動(dòng)基于這類(lèi)二維范德瓦爾斯異質(zhì)結的新型激子型器件研究,也可為新型信息器件的探索和應用提供新思路。
盡管該工作屬于基礎型物理研究,但也具備一定應用價(jià)值。無(wú)論是在高壓下開(kāi)展基于新型敏感材料的物理特性研究,亦或是開(kāi)發(fā)新型超高壓傳感器,都可以借鑒本次成果。
此外,對于推動(dòng)中國深地深海探測技術(shù)進(jìn)步,加速頁(yè)巖氣等現代能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,本次研究也具備相應的科學(xué)意義和應用價(jià)值。
“請將每天用到極致,無(wú)論學(xué)習還是玩?!?/strong>
截至目前,夏娟已榮獲 2017 年度中國優(yōu)秀自費留學(xué)生獎、2018 年度南洋理工大學(xué)女科學(xué)家獎等獎項, 2018 年入選電子科技大學(xué) “百人計劃”。并于去年入選 “2020 中國十大新銳科技人物”
目前,她還擔任 Chinese Physics Letters(CPL)、Chinese Physics B(CPB)、《物理學(xué)報》和《物理》四刊聯(lián)合青年編委。
2018 年頻上熱搜之后,她坦言:“除了感慨當今自媒體的速度和流量,以及面對一些惡言相向的質(zhì)疑之外,(但)更多的是感受到了來(lái)自整個(gè)社會(huì )的關(guān)心”。
面對質(zhì)疑,她在回復同學(xué)的信件中表示:“爺爺是我沒(méi)敢在文章里提到的人,但卻是我對這個(gè)世界開(kāi)啟求知和好奇的啟蒙人。高考的前一個(gè)月,我得知了爺爺去世的消息,緊接著(zhù)的那一次高考模擬測試排名下滑至三十名開(kāi)外,老師和家人也開(kāi)始為我擔憂(yōu),但還是變著(zhù)法兒地鼓勵我去夠那個(gè)清北夢(mèng)...... 最后發(fā)現分數可以上川大的時(shí)候,他們(夏娟父母和哥哥)笑著(zhù)笑著(zhù)就哭了,哭完了繼續笑,然后擁抱,慶祝......”
2020 年秋季,已經(jīng)開(kāi)始傳道受業(yè)解惑兩年有余的夏娟,在開(kāi)學(xué)典禮演講的最后,給學(xué)生們留下了這樣的建議:“請不要抱憾過(guò)去,更無(wú)須空想未來(lái);請將每天用到極致,無(wú)論學(xué)習還是玩耍;請珍惜屬于你們的時(shí)代...... 用力地綻放吧?!?/strong>
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