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深耕基礎研究 促進原始創(chuàng)新

呂勁

北京大學物理學院研究員，博士生導師。教育部新世紀人才，量子物理科學協(xié)同創(chuàng)新中心研究員。作為慶祝中華人民共和國成立70周年紀念章獲得者，愛斯維爾2020、2021、2022年中國高被引學者，2020、2021連續(xù)兩年入選斯坦福大學全球排名前2%頂尖科學家。入選全球學者庫網全球頂尖前10萬科學家（位列12525名）。其二維晶體管理論研究成果，2020年獲得陜西省高等學?？茖W技術二等獎，2021年獲得北京市自然科學二等獎（第一完成人）和中國電子學會科學技術獎自然科學三等獎。

 作為自主創(chuàng)新之源的基礎研究，不論對科技發(fā)展本身還是對經濟社會發(fā)展，都是具有戰(zhàn)略意義的制高點，其使命不僅要服務于今天，更要引領未來，創(chuàng)造新的需求和發(fā)展優(yōu)勢。黨中央高度重視基礎科學研究工作，習近平總書記對加強基礎科學研究多次作出重要批示指示。2018年1月19日國務院印發(fā)了《關于全面加強基礎科學研究的若干意見》，對我國基礎科學研究工作作出全面部署。

為助力解決一系列“卡脖子”的技術問題，北京大學物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室呂勁研究員，秉持著火熱的初心和科學家精神，深耕于基礎研究領域，成立了凝聚態(tài)計算物理團隊，致力于低維納米體系的量子調控、準粒子效應和激子效應、能谷電子學、拓撲性質等研究，并利用這些納米材料設計新型納米電子學器件、納米光電子學器件和儲能器件。尤其在研發(fā)高性能和低功耗的邏輯型器件等方面做出了一系列的成果和實質性突破。

首次提出打開狄拉克材料能隙新方案并進行原理器件仿真

集成電路是信息社會的物質基礎。2021年，我國進口集成電路的金額高達4400億美元（2.8萬億人民幣），是最大宗的進口商品。摩爾定律預測集成電路的晶體管數(shù)目大約每兩年翻一番。當前市面上的硅基晶體管尺寸已發(fā)展到18 nm柵長，接近性能的物理極限。比起三維塊體，二維材料的尺度極薄，具有更好的柵控性能，同時表面光滑沒有懸掛鍵，電荷傳輸不受陷阱態(tài)和起皺帶來的散射的影響，可以保持較高輸運性能，有效避免短溝道效應。國際半導體技術發(fā)展藍圖（ITRS）及其繼承者國際器件與系統(tǒng)藍圖（IRDS）都把二維材料列為硅的極具潛力的替代溝道材料。最先實驗獲得的二維材料是石墨烯，它的硅和鍺的類似物稱為硅烯和鍺烯，二者和當代半導體工藝兼容。它們和石墨烯一樣是狄拉克材料，有高的載流子遷移率，但能隙為零，不適合做運用于邏輯器件的晶體管。如何在保持高遷移率的同時打開一個可控能隙是狄拉克材料研究最重要的課題之一。

電場是實驗常用的調控手段。但令人遺憾的是，具有平坦結構的單層石墨烯的電子結構對電場不敏感，外加電場不能打開單層石墨烯的能隙。而同樣是具有線性能帶色散的狄拉克材料的單層硅烯和鍺烯，則具有與之不同的起皺結構，又比其他二維材料與當代半導體硅工藝更具有兼容性。呂勁團隊早在2012年就首次發(fā)現(xiàn)，垂直的外加電場可以通過破壞硅烯和鍺烯上下子格子的反演對稱打開能隙，并且打開的能隙隨電場強度線性增加，同時能夠保持高的載流子遷移率。

為驗證這一巧妙思想，呂勁團隊設計了雙柵的硅烯場效應晶體管，利用頂柵和底柵的電勢之差提供打開能隙所需的電場，同時底柵和頂柵電勢之和起到控制溝道電勢的作用。他們又通過結合非平衡格林函數(shù)方法和密度泛函理論的第一性原理量子輸運模擬，第一次論證了硅烯場效應晶體管原理器件具有電流開關效應，開關比是無電場時的8至50倍。該成果發(fā)表于國際高水平期刊《納米快報》（Nano Letters）2012年12月刊。該文被他引944次，是目前二維晶體管的第一性原理量子輸運模擬論文中引用最高的論文。

由于硅基晶體管是半導體行業(yè)的主流晶體管，而硅烯晶體管又是最薄的硅基晶體管，因此，電場調控硅烯和鍺烯能隙的觀點一經提出就引發(fā)了學界的巨大關注。2015年，硅烯的最早發(fā)現(xiàn)者之一、意大利國家研究委員會微電子與微系統(tǒng)研究所的Alessandro Molle高級研究員與德克薩斯大學奧斯汀分校的Akinwande教授等在實驗上首次制備出硅烯晶體管。呂勁團隊的研發(fā)成果被列為該項研究的動機之一。硅烯晶體管的制備，被美國化學會C&EN網評選出2015年11項最受矚目的化學成果之一。

與此同時，呂勁團隊也瞄準拓撲晶體管和拓撲絕緣體研究的一個重要方向——尋找大體能隙材料。繼以BixSb1-x為代表的第一代和以Bi2Se3為代表的第二代拓撲絕緣體，他們首次發(fā)現(xiàn)單層鉍烷和銻烷(BiX/SbX，X=H，F(xiàn)，Cl，Br)在不考慮自旋軌道耦合的情況下，和硅烯一樣是零能隙的狄拉克材料，但是自旋軌道耦合可以打開體能隙，而邊緣態(tài)仍然維持狄拉克錐導電結構。作為第三代拓撲絕緣體，鉍烷和銻烷的體能隙可超過1 eV，為當時拓撲絕緣體的體能隙的最大值。該成果于2014年6月發(fā)表在國際學術期刊《自然》子刊《NPG亞洲材料》。

該項工作意義重大，首次提出了打開狄拉克材料硅烯和鍺烯能隙的簡單方案，即施加垂直電場，并提供了器件的第一性原理量子輸運模擬，推動了實驗的硅烯晶體管的制備以及硅烯鍺烯學科的發(fā)展。而最大能隙拓撲絕緣體鉍烷和銻烷的發(fā)現(xiàn)，則為室溫拓撲晶體管的實現(xiàn)奠定了基礎。

發(fā)展按照ITRS標準對二維半導體晶體管性能在原子級上無參數(shù)精確評估的范式

本征的二維半導體優(yōu)勢在于無需調控能隙就可直接做晶體管。但是制備亞10 nm的二維半導體晶體管在實驗上極其困難，加之二維材料數(shù)目又很多，迫切需要可靠的理論對各種二維材料晶體管性能進行評估。石墨烯的同位素異形體石墨炔被預測是高遷移率的二維半導體。2010年，在中科院化學所李玉良小組率先實驗上合成石墨炔之后，呂勁團隊對石墨炔的本征性質進行研究，發(fā)現(xiàn)在低維的半導體中，由于增強的庫倫相互作用，多體效應比塊材更為明顯。次年，該團隊第一次計算了單層石墨炔精確的準粒子能帶，發(fā)現(xiàn)能隙較之密度泛函理論的0.44 eV修正到了1.1 eV。通過求解BSE方程，得到了單層石墨炔的激子吸收譜，激子束縛能高達0.55 eV。而李玉良小組測量出的石墨炔在紅外和紫外的吸收譜，與呂勁團隊的預言非常相符。該理論與實驗的合作工作于2011年發(fā)表在物理學國際權威期刊《物理評論B》。石墨炔準粒子能帶和激子峰的確定為石墨炔的快速發(fā)展提供了基礎。2015年，呂勁團隊對鋁做電極的10 nm柵長的單層石墨炔晶體管做了第一性原理量子輸運模擬，發(fā)現(xiàn)其開關電導比可到105，最大電流可達14000μA/μm，大大超過硅基晶體管的開態(tài)電流。預測的石墨炔晶體管已被證實。

受垂直電場調節(jié)硅烯和鍺烯能隙的啟發(fā)，2012年呂勁團隊把垂直電場施加在雙層過渡金屬硫化物MoS2上，發(fā)現(xiàn)垂直的電場導致的斯塔克斯效應可以減小它的能隙，在電場達到1-1.5 V/?時候，甚至可以關閉能隙。第一性原理量子輸運模擬顯示當雙門施加的電場在達到1.3 V/?時，晶體管實現(xiàn)了導通。該成果一經發(fā)表，被他引241次，是ESI高被引論文。

但有大的開關比和最大電流未必意味著二維晶體管就能取代硅。二維晶體管能否取代硅晶體管應按照ITRS標準來判定。從2016年起，呂勁團隊首次按照 ITRS標準，把無參數(shù)的第一性原理量子輸運方法用于評估（仿真）亞10納米典型本征半導體晶體管性能的尺寸演化行為，發(fā)現(xiàn)鈦電極的單層MoS2肖特基場效應晶體管在亞10納米尺寸下仍然能保持優(yōu)異的性能：其開態(tài)電流與目前實驗上最好的硅場效應管在同一水平，并具有超低的亞閾值搖擺。

在選擇溝道材料時，人們通常會選擇有效質量小的半導體材料，冀圖獲得比較大的遷移率。呂勁團隊卻發(fā)現(xiàn)，在小尺寸晶體管中，有效質量在0.4-0.5m0附近時，開電流最小，更小或更大的有效質量均有利于開電流。這表明大的有效質量對應的大的電子能態(tài)密度也起重要作用。仿真發(fā)現(xiàn)幾類典型的單層二維半導體材料MOSFET(砷烯、銻烯、InSe、Bi2O2Se)都能滿足ITRS 高性能和低功耗器件的開電流、電容、延遲時間、功耗的要求，超越硅晶體管，支持用二維溝道材料延續(xù)摩爾定律到亞10 nm尺度的方案。

呂勁團隊應邀就上述成果在物理學頂級綜述期刊《物理報告》上發(fā)表了72頁的長篇綜述。其意義可見一斑：建立了原子級的無需參數(shù)的亞10 nm二維晶體管的器件性能的評估（仿真）范式；按照 ITRS標準嚴格論證了二維材料具有延續(xù)摩爾定律到亞10 nm尺寸的能力，并尋找出器件性能與能帶結構的規(guī)律，為延續(xù)摩爾定律提供了一條路線。二維晶體管具有超越硅基晶體管的卓越性能已被彭練矛-邱晨光團隊最近發(fā)表在《Nature》上的實驗證實并引用，表明二維材料確有替代硅溝道的潛力。

發(fā)展精確計算晶體管構型下二維半導體與金屬界面肖特基勢壘的范式

諾貝爾物理學獎得主Kroemer說，“界面即器件”。影響實際二維半導體晶體管性能的除了材質本身外，還有界面處的肖特基勢壘，這也需要準確的理論評估。

鑒于先前常用的二維晶體管計算肖特基勢壘方法沒有考慮電極與溝道材料在水平方向強烈耦合帶來的金屬誘導的界面態(tài)以及由此引起的費米能釘扎，低估了水平肖特基勢壘高度。呂勁團隊運用無參數(shù)的第一性原理量子輸運模擬，充分考慮電極與溝道的耦合，通過計算晶體管的空間能帶圖，發(fā)現(xiàn)金屬誘導的能隙態(tài)（MIGS）普遍存在于二維晶體管與金屬的水平界面，導致費米能釘扎。

他們用這套模式系統(tǒng)研究了一系列二維半導體（包括磷烯、過渡金屬硫化物MX2、V族烯、VI族烯、GaN、InSe等）與金屬電極在晶體管結構下界面性質，修正了先前的功函數(shù)近似理論低估的水平肖特基勢壘高度。二維材料與金屬界面存在較多MIGS和費米能釘扎的觀點被麻省理工學院孔敬課題組和韓國高等科學技術研究院物理系Sungjae Cho教授研究組的工作所采用。

課題組合影

通過開展該項目，呂勁團隊發(fā)展了精確確定二維半導體晶體管肖特基勢壘的研究范式，確定了典型二維半導體的水平肖特基勢壘和釘扎因子，有助于二維半導體晶體管的電極優(yōu)化。

這一系列重要研究成果大部分為國際首創(chuàng)，被《自然》及其子刊、《科學》、《現(xiàn)代物理評論》等著名學術期刊引用評述，并對實驗起到了指導作用，發(fā)展的二維半導體晶體管的精確性能評估和界面研究范式得到了廣泛應用。其學術影響力充分說明基礎研究的重要性和深遠意義，只有在基礎研究方面擁有堅實基礎和重大建樹，國家的自主創(chuàng)新能力才有提升之道，才能在全球經濟分工中取得優(yōu)勢和主動地位。

對標世界一流大學，建立現(xiàn)代化的后勤保障體系

在一心撲在基礎研究領域之余，呂勁還將滿腔的熱情投入于校園內外，以深沉的人文情懷積極推動和促成各項改革，提升社會文明程度。世界一流大學，除了學術一流外，還應該有一流的后勤保障。比起其他世界一流大學，北京大學在后勤方面還有明顯的差距。2019年起，他擔任北京大學教代會代表，就北京大學的制度建設、文化建設和后勤現(xiàn)代化提出了議案。在議案的推動下，北京大學教學樓的設施獲得了改善，在三教四教衛(wèi)生間增設了馬桶和熱水，圖書館和部分教學樓考試期間開放時間延長至晚上12點。他還通過校長信箱，促成了學校教學樓的洗手間手紙和洗手液的配置，深受師生好評。在2020年和2022年，他兩次獲得北京大學第七屆教職工代表大會暨第十九次工會會員大會優(yōu)秀提案獎。值得一提的是，2020年5月6日，習近平總書記主持召開中共中央政治局常委會會議時特別強調，要完善公共衛(wèi)生設施。由呂勁起草關于在全國碼頭，火車站，汽車站和城內公共廁所配備肥皂，洗手液和衛(wèi)生紙的建議經中國工程院原副院長趙憲庚院士完善并得到北京大學前校長林建華等人大代表附議后提交到第十三屆全國人大常委會，被列為10268號閉會建議，得到答復和采納。作為北京大學的教師代表，參加建國70周年天安門群眾游行，榮獲北京大學國慶70周年重大活動特殊貢獻獎、教育部集體嘉獎以及慶祝中華人民共和國成立70周年紀念章。

科學無止境，精神永流傳。習近平總書記在2020年科學家座談會上強調指出：“科學成就離不開精神支撐?？茖W家精神是科技工作者在長期科學實踐中積累的寶貴精神財富?！眳蝿叛芯繂T亦是如此，他將以科學家精神為引領，固基強本促創(chuàng)新，以學者姿態(tài)建言獻策促改革，帶領團隊不忘初心，砥礪前行，努力為一流學科建設與拔尖人才培養(yǎng)貢獻力量，把科研成果書寫在祖國大地上。

（2023年第12期）

責編:李鵬
編審:卡咪娜