晶体制备是一门精细技术，如何提升其稳定性、可控性？北京大学物理学院刘开辉教授团队首创“晶格传质—界面生长”晶体制备新范式，让材料如“顶竹笋”一般生长。“科研工作者应将有限的人生，投入到无限的科研事业中去，从始至终坚持、始终热爱，做出有意义、有一定的影响力的成果。”刘开辉说。
石英晶体能够产生稳定的电振荡，是精准的时间守护者；人工晶体能够适用于白内障手术，恢复患者的视力；半导体晶体用来制造晶体管、集成电路等电子元件……
晶体制备是一门精细的技术。在微观世界里，制备晶体就像盖房子，“建筑材料”是原子、分子或离子，“设计图纸”则是晶体的内部结构规律。但随着“建筑材料”排列逐渐不受控、杂质及缺陷累积，“房子”就会变得歪歪扭扭，甚至坍塌。
北京大学博雅特聘教授、物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉团队提出了全新的晶体制备方法——“晶格传质—界面生长”。该方法能让材料顶着上方结构，如“顶竹笋”一般生长，明显提高晶体结构的生长速度和均一性，有望提升芯片的集成度和算力，为新一代电子和光子集成电路提供新材料。相关成果在线发表于《科学》杂志。
过去，制造芯片的第一步是制造单晶硅。当单晶硅制程工艺缩小到2纳米后，向更小尺度推进，难度便会陡增。硅材料的功能和尺寸，几乎达到目前技术的极限，寻找其他晶体成为芯片行业的趋势。
2014年，刘开辉进入北京大学物理学院，组建了以量子材料制备与超快光学技术探讨研究为主攻方向的课题组。“国家的战略需要，就是科学家要攀登的科研高地。”刘开辉说。
2019年6月，团队里“单晶铜箔库”课题组的博士生张志斌，正在准备高温处理单晶铜箔。因为铜箔较软，所以要将其平整置于石英板材之上。为了尽最大可能避免石英材料中的二氧化硅在高温时与铜反应生成铜硅合金，他在铜箔下表面额外放置了一层耐高温隔层材料——石墨纸。
第二天，打开管式炉腔体时，眼前的景象让他激动不已——镍箔的上表面变黑，这在某种程度上预示着非常有可能长出了厚层石墨。“单晶石墨极难制备，石墨材料具备易解理性，很难堆叠成厚层单晶石墨。”刘开辉敏锐地意识到其中蕴含的巨大科研潜力。
“要把材料‘做厚’！”刘开辉带着团队继续攻关，成功将单晶石墨的厚度从1微米提高到35微米，实现了10万层单晶石墨烯的制备。团队制备出的厚层单晶石墨质量极高，包括均匀的厚度、超大的单晶尺寸、超平整的表面以及超高的热导率等。
“此前，国内科研用的高端石墨材料主要从国外购买。高质量单晶石墨的制备，能为我国在单晶石墨研究领域争取到更大的国际话语权。无论把材料‘做薄’还是‘做厚’，团队的科研目标一直是突破‘卡脖子’技术。”刘开辉说。
刘开辉和小组成员们，一起寻找单晶石墨生长背后的物理机理，并举一反三，提出了“晶格传质—界面生长”新范式。
刘开辉介绍，在制备过程中，原子首先在金属表面，即“地基”上排布形成“第一层晶体”；接着，新加入的原子通过晶格传输进入“地基”与第一层晶体之间的缝隙，顶着上方已形成的晶体层生长，不断形成新的晶体层。
“就像‘顶竹笋’一样，从根基‘顶’上去，保证每层晶体结构的快速生长和均一排布。”刘开辉举例，“有好的根基才能长成参天大树。用这样的解决方法，我们能制备10万层的晶体材料，一分钟能长50层。”
与传统晶体生长方法不一样，“晶格传质—界面生长”不是在表面生长，而是利用晶格来进行传递生长，因此能有很大成效避免缺陷积累，实现高质量的晶体制备。
“晶体生长受量子力学控制，一定会出现缺陷。在界面生长的晶体，虽然不能消除缺陷，但缺陷不会‘遗传’。因为出现缺陷的一层被顶了上去，并不影响下一层的生长。”刘开辉说。
更让人惊喜的是，这个晶体制备方法具有通用性。利用这一新方法，团队现已制备出氮化硼、硫化钼等9种高质量二维晶体，晶体制备层数达到30万层。
谈及研究过程，刘开辉形容，科研攻关跌到过谷底，也会抵达高峰，“穿行在低谷高峰，靠的是对科研的热爱和坚持。”
“数学、物理、化学等基础学科一旦有了突破，将带来几十年甚至上百年的科技红利和变革。”刘开辉在北大科学夜跨年演讲上说。
2000年，刘开辉进入北京师范大学学习物理专业，毕业后先后到中国科学院物理研究所攻读凝聚态物理领域博士学位，到美国转向光学物理领域开展博士后工作。如今，刘开辉的课题组成员近40人，其中有一半在做光学技术的前沿创新，另一半则主攻材料制备，两个团队开展交叉融合研究。除了科研，刘开辉还活跃在教学一线，教授实验科学、近代物理实验等多门课程。
“科研就是拧好每一颗螺丝，脚踏实地迈好每一步。”刘开辉说，日复一日的基础性工作，经常面临失败，难免感到倦怠。但也正是在一次次实验中，科学家能将研究成果抽象成物理原理或数学公式，科学研究的真谛逐渐显现。
从立项时的兴奋，到探索时的迷茫、初有成果时的激动，再到持续优化过程中的反复打磨，尝遍科研过程中的百味，才能真正领略到科研带来的喜悦。
“科研工作者应将有限的人生，投入到无限的科研事业中去，从始至终坚持、始终热爱，做出有意义、有一定的影响力的成果。”刘开辉说。
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