金秋九月，是丰收的季节。来自南方科技大学物理系、粤港澳大湾区量子科学中心的林君浩团队迎来了好消息。
他们与南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室高力波团队的最新合作成果在9月6日成功在《自然》上发表，揭示了他们在二维范德华超导异质结的晶圆级生长及其机理研究方面取得的突破性进展。
这是林君浩团队在不到三个月时间内的又一篇《自然》。就在6月，《自然》刊登了林君浩团队与合作团队在高熵合金纳米颗粒方面的最新成果。
在林君浩看来，一系列突破性成果频繁涌现，是作为科研工作者一个厚积薄发的过程，也是一个水到渠成的结果。“其中有重复的枯燥，有等待的忐忑，也有收获的喜悦。探寻未知世界的好奇心，会带我们走向更远的地方，这便是科研的乐趣。”
在材料世界里“叠乐高”
一直以来，二维超导异质结中的二维超导材料层，如二硒化铌等，由于结构不稳定，很难在二维异质结中直接通过生长集成，是二维范德华超导异质结大规模制备的关键难题。
为了克服这一难题，林君浩团队与合作团队在9月份的《自然》中，提出了一种全新的“高温到低温”的二维材料逐层生长策略。研究团队通过巧妙设计二维异质结中每一层的生长环境，使其生长温度均低于前序层，实现了高质量的可控多层范德华超导异质结晶圆级生长。
这一方法能够精确地控制二维超导体材料的层数，并通过球差电镜表征证实了多层体系的高质量堆叠结构。
“如果把三维材料比作一个盒子，那么二维材料就是把这个盒子压到像一张纸一样扁。在三维材料到二维材料的变化过程中，大多数材料是不稳定的。我们的工作其实是开发了一种新技术，实现了二维超导材料的稳定生长，并在晶元上生长到非常大面积的尺寸。”林君浩解释道。
“晶圆级范德华超导异质结的堆叠生长”示意图 科研团队供图
在追寻大尺寸材料的生长上，以往的研究中，科学家们大多从三维到二维进行研究，而研究团队却“反其道而行”。通过开发的新技术，将二维材料进行逐层生长，这个堆叠的过程就像叠乐高积木，最终形成多个二维材料堆叠在一起、高质量且大面积的人造二维材料。
“我们首次将二维材料以‘叠乐高’的方式达造到晶圆级，可以直接与现代的硅工艺进行集成，有广泛的产业化应用前景。此外，在这个堆叠的过程中，可以引进新的二维材料元素，是叠堆的过程更加稳定。”林君浩表示。
实验室里的“独门武器”
“兵欲善其事，必先利其器”，实现科学研究“井喷”，林君浩团队有着自己的“独门武器”。
在林君浩的实验室里，各种功能的手套箱连接在一起，是他和团队花了将近两年的时间搭造起来的科研“利器”。在9月份《自然》文章中，研究团队利用手套箱的科研仪器发现的原子结构表征结果在揭示薄膜生长机制和结晶程度方面起到了关键的作用。
林君浩实验室互联系统 科研团队供图
“从样品生长一直到结构的表征性能测试，我们都把不同功能的仪器集结在一起，将整套材料生产线都放置在一个密闭的、充满惰性气体的环境中来完成实验。”此次论文的共同第一作者、南科大物理系助理教授侯福臣介绍。
搭建仪器的过程是最艰难的一环。侯福臣说：“刚开始那两年，搭建实验室需要很多仪器，林老师和我到处找厂家，甚至请好几个厂家一起过来开会，最后一点一点搭造起来。”而利用这套仪器，这项研究申请了10余项专利，获得国际科学界的认可。
“我们常常打趣自己，除了是科研人员之外，还是工程师、包工头。”课题组博士后、此次论文共同作者王刚笑着说。作为林君浩的首批学生，王刚参与到了实验室的规划设计与设备搭建工作中，他回忆，在课题组的几年里，无论是科研逻辑、理论知识，以及动手能力都得到了许多提升，对后来开展实验工作大有助益。
“林老师对细节的把握，以及对仪器极致状态的追求，让我产生了深刻的影响，让我明白自己不仅只是一个设备的使用者，也是一个从原理上理解设备、并根据自己的理解对设备进行改造的工程师，让实验设备能够更大的发挥作用。”同样作为林君浩团队的第一届博士生郭增龙说道。
目前，这套仪器已经顺利运行了一年多的时间，团队此前的一系列研究成果都离不开这套仪器的加持。林君浩透露，利用这套仪器产生的成果正在渐渐浮现出来，除了最近的两篇正刊，还有几项也颇有分量的成果也正在投稿流程。在磨合期后，林君浩团队正迎来收获的季节。
林君浩课题组（左六为郭增龙，右六为王刚） 科研团队供图
以纯粹的好奇心 探索科学未知
“想象一下，如果以后的手机像纸一样轻薄，却能储存超出目前5到10倍的信息量，该有多神奇？”对林君浩而言，探索世界奥秘的“好奇心”是引领他在漫长的科研路上不断前行的明灯。
带着这份对前沿科学的“好奇心”， 2010年，林君浩开始了异国科研之旅，近十年的时间，他目睹了国内科研水平的快速发展。2018年，林君浩放弃了前往美国国家实验室工作的机会，毅然回国。
林君浩 受访者供图
“科学无国界，但科学家有自己的祖国。我一直希望，我所学的技术能帮助祖国的科技发展。”谈及回国时的初心，林君浩如是说。
利用材料革新进行新一轮的信息革命，意味着要不断缩小元器件的尺寸，逼近物理极限产生的结构不稳定性，这是困扰该领域的一大难题。在加入南科大之后，林君浩在第一时间组建先进低维材料实验室，开展新型超薄半导体与磁性材料的研究。
近年来，林君浩在《自然》等国际顶尖期刊发表论文100余篇，因其在新材料领域的突出的科学贡献，2022年，他成功入选《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”2021中国区榜单。
“做科研的目的永远是为了探寻未知世界的好奇心。”这是他对学生的谆谆教导，也是他不断叩击内心的发声。未来，他将继续做一名“探索者”，带着一份纯粹的好奇心，奔赴未知的科学世界。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06404-x
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