周樹云:踏上二維材料的「新大陸」

從清華物理系學生到成為清華物理系教授,周樹雲的人生經歷簡單又夢幻。

簡單的是她的工作和生活都在學校裡,夢幻的是她所從事的學科研究總能發現“秘密”。

周樹雲領導一個由十來位博士生組成的實驗室,研究“石墨烯”“拓撲半金屬”……她深耕於凝聚態物理領域,運用“角分辨率光電子譜”技術,在石墨烯、第二類拓撲半金屬、過渡金屬硫族化合物、新型拓撲材料以及異質結等新奇電子結構研究方面做出了重要的貢獻。

2017年,周樹雲榮獲第十三屆“中國青年女科學家獎”稱號。

高深的“石墨烯”在她眼裡就像堆積木

周樹雲:踏上二維材料的“新大陸”

在電影阿凡達裡,導演通過電腦特技向我們描繪了一個虛構的星球——潘多拉。強大的人類艦隊跨越幾個光年來到這裡,不惜破壞這裡的生態,屠戮原住民,為的就是得到這個星球上一種特殊的資源:Unobtainium。這種元素,在地球上售價是2000萬美金一公斤。這個在電影裡一閃而過的特殊材料“unobtainium”翻譯成中文的字面意思,其實叫“難得的元素”。這可不是編出來的詞兒,在航空領域,人們用“難得的元素”形容性能完美的材料,比如輕得像空氣卻堅硬得像鋼鐵。

而今天,一種全新的材料,正在接近人類夢想中的“難得的元素”,這就是石墨烯。它和我們常見的石墨棒和鉛筆芯一樣,全是由碳原子組成,只不過,它只由一層碳原子在平面上構成,可以說它的特點就是薄,薄到不能再薄。根據已知信息,它的厚度僅為頭髮絲的20萬分之一,強度是鋼的200倍,是世界上已知最薄最輕最強的材料,如果用石墨烯打造快速充電的手機,20秒就能把手機充滿。而周樹雲正是國際上最早利用角分辨光電子譜研究石墨烯研究者之一。

2002年從清華物理系畢業,她去美國加州伯克利大學攻讀博士學位。2007年獲得博士學位後,她在伯克利國家實驗室先後以博士後和項目科學家的身份工作了四年。2012年,周樹雲回到母校清華大學,成為中國物理學界最年輕的女科學家之一。

普通人覺得枯燥深奧的物理研究,在周樹雲眼裡卻是一條無比歡樂幸福的道路。“這就像最簡單的樂高積木,可以搭建成各種想象不到的東西一樣。把研究透徹的不同材料進行‘拼接’後,它們之間的相互作用會產生原來單個材料所沒有的、更加有意思的特性,有一些特性甚至是超出我們預想的。”

搞科研 進一寸有一寸的歡喜

周樹雲:踏上二維材料的“新大陸”

主宰電子信息產業飛速發展幾十年的“摩爾定律”即將走到尾聲——單純依靠縮小晶體管尺寸的做法,不僅受到工藝成本的限制,還將帶來棘手的功耗和散熱問題。

近年來,全世界對石墨烯等二維材料的研究進行了巨大的投入,就是希望從中找到能夠替代硅的理想半導體材料。周樹雲表示:“過去十幾年,人們發現雖然石墨烯具有一些非常奇特的性質,但它卻缺乏半導體器件的重要特徵--能隙。”

要尋找理想的材料,除了寄希望於新型材料體系之外,另一個策略則是將一些熟悉的材料進行重新組合。周樹雲所感興趣的“石墨烯/氮化硼異質結”正是這樣的組合:層狀的氮化硼與石墨烯雖然原子排列十分相似,不過由於原子對稱性的不同,兩種材料的性質差異很大——石墨烯具有“半金屬”性質,而氮化硼則是不導電的絕緣體。將這兩種材料通過弱範徳華作用力結合、形成異質結之後,其中的石墨烯出現了原本不具備的半導體性質。她的團隊隨後利用ARPES技術,首次觀測並證實了石墨烯/氮化硼異質結中的能帶結構及能隙,用直接的測量結果,解決了該材料體系中有關能帶調控的若干關鍵科學問題。

“女博士”不另類 用科學的力量改變世界

周樹雲:踏上二維材料的“新大陸”

周樹雲所在的凝聚態物理領域,無論國內還是國外都存在懸殊的男女比例現象。不過,女性到底適不適合從事科研,從來都不是她考慮的問題——因為“身邊有很好的榜樣”。

周樹雲提到,自己在留學期間的博士導師Alessandra Lanzara就是一位優秀的女科學家:“我開始讀博士的那一年,也正是她到伯克利開始教職的時候。在幾年的時間裡,我看到她是怎麼樣一步一步從零開始建立小組,並且取得很好的研究成果。在這個過程中,她建立了家庭、有了孩子,工作和生活都處理得井井有條。”

得益於國家對科技的重視以及國內整體科研環境的改善,目前我國從事科學研究、開發、傳播和應用的女性科研工作者隊伍已日益壯大,其中不乏取得斐然成就的卓越女科學家。然而,由於傳統觀念和社會認知的影響,持續投身科學並晉升高級職位的女性比例依然偏低。

當一些同齡人進入事業迷茫期的時候,周樹雲卻覺得現在是最好的狀態——與曾經的懵懂和迷茫相比,她現在更加明確自己的方向、能力和目標。歲月並沒有在她臉上留下太多印記,閱歷卻為她帶來了成熟與篤定。


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