他四年磨一“材”，只為做出最靈敏的紅外探測(cè)器

自然界中電磁波的波譜范圍非常廣，人眼可見光的波長在0.3微米到0.8微米之間，只占電磁波波譜中很小的一部分。而僅僅是這一部分光波，就能讓人類感知到五彩繽紛、變化莫測(cè)的大千世界。

在可見光之外，還有很多人類用肉眼看不到的光，即不可見光。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師王肖沐研究的，就是不可見光中的紅外電磁波。

前段時(shí)間，2019年度“求是獎(jiǎng)”揭曉。因在紅外光子學(xué)領(lǐng)域作出的突出貢獻(xiàn)，王肖沐捧起了該獎(jiǎng)證書。

尋找最便宜的半導(dǎo)體材料

根據(jù)波長，紅外電磁波可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外等波段。王肖沐的工作，主要圍繞中紅外波段展開。

在結(jié)束了劍橋大學(xué)和耶魯大學(xué)的博士后研究工作后，2016年年底，王肖沐回國加入南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院。

“來到南京大學(xué)后，我的工作主要是研制中紅外探測(cè)器。而找到性能優(yōu)越、價(jià)格低廉、加工方便的半導(dǎo)體材料，是研制出該探測(cè)器的關(guān)鍵。”王肖沐說，紅外探測(cè)器價(jià)格非常昂貴，主要就是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料成本降不下來。

為了降低半導(dǎo)體材料和探測(cè)器加工的成本，王肖沐想到，能否利用硅材料。

“硅是相對(duì)便宜的半導(dǎo)體材料，但是硅有一點(diǎn)很大的不足，就是它對(duì)紅外光沒有響應(yīng)，那就只能將硅材料和其他材料進(jìn)行集成。”于是，王肖沐想到了他的“老朋友”——黑磷。

“黑磷是我在耶魯大學(xué)做博士后時(shí)，就一直在研究的材料。我所在的研究小組，是當(dāng)時(shí)世界上最早研究該材料的三個(gè)研究組之一。”王肖沐說。

時(shí)間回溯至2014年11月。

那時(shí)王肖沐在耶魯大學(xué)從事博士后研究工作，他和導(dǎo)師偶然在黑磷中發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典的量子隧穿現(xiàn)象。

在量子力學(xué)領(lǐng)域，量子隧穿現(xiàn)象指的是，電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢(shì)壘的量子行為。

隨著研究的深入，王肖沐逐漸覺察到，那可能不是量子隧穿，而是彈道雪崩。

王肖沐向記者介紹道，彈道雪崩這種物理機(jī)制，是將量子彈道輸運(yùn)與雪崩擊穿過程相結(jié)合，使粒子同時(shí)具有量子特性和雪崩特性。

此后，王肖沐向《自然·納米技術(shù)》投稿，闡述這一新發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過兩輪審稿，審稿人對(duì)此表現(xiàn)出極大的興趣。可令人遺憾的是，因?yàn)橄嚓P(guān)器件做得不夠干凈，使黑磷發(fā)生氧化反應(yīng)，所以無法準(zhǔn)確闡釋實(shí)驗(yàn)機(jī)理——文章被拒了。

“這項(xiàng)研究雖然很有挑戰(zhàn)，但是我堅(jiān)信通過努力，這個(gè)問題是很有可能被解決的。”此后的2年里，王肖沐不斷進(jìn)行試驗(yàn)，可始終沒能得到滿意的結(jié)果。

接連失利后陷入自我懷疑

直到2016年回國，這一研究終于有了起色。“研制中紅外探測(cè)器，正好能用上之前黑磷的研究成果。”王肖沐說。

2016年10月，去南京大學(xué)入職報(bào)道時(shí)，王肖沐錯(cuò)過了招募實(shí)驗(yàn)組成員的最佳時(shí)機(jī)。為了成立團(tuán)隊(duì)、完成研究工作，他只能從合作伙伴、南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授團(tuán)隊(duì)“借”來一個(gè)學(xué)生，組建起了最初的研究組。

一個(gè)老師、一個(gè)學(xué)生，回想起當(dāng)初的艱難，王肖沐開玩笑說“自己團(tuán)隊(duì)的風(fēng)格是極簡”。

幾個(gè)月后，實(shí)驗(yàn)獲得了突破性進(jìn)展，他們不僅獲得了干凈的界面，還制出了性能優(yōu)異的中紅外彈道雪崩光電探測(cè)器和彈道雪崩場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

“可以說，這可能是迄今為止，世界上最靈敏的中紅外探測(cè)器件！”王肖沐說。

有了這一進(jìn)展，王肖沐團(tuán)隊(duì)這次決定向《自然》雜志投稿。經(jīng)過漫長的審稿過程，令人感到遺憾的是，他們?cè)俅伪痪堋?/p>

接連的失敗，曾讓王肖沐一度陷入自我質(zhì)疑，情緒變得有些低落。“我們的實(shí)驗(yàn)，做得非常艱難，有時(shí)就連我們自己都開始懷疑，是不是錯(cuò)了？在現(xiàn)有條件下，還能否獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？”他說。

但這樣的狀態(tài)，王肖沐并未持續(xù)很長時(shí)間。“如果連我們自己都不相信自己，誰還會(huì)相信我們？”他回憶道。

論文再次被拒后的那個(gè)春節(jié)，王肖沐和學(xué)生都沒怎么好好過。和家人短暫相聚幾日，他們就匆匆趕回實(shí)驗(yàn)室。假期里大部分時(shí)間，他們都一起做實(shí)驗(yàn)、整理數(shù)據(jù)，每天都在無休止地討論、測(cè)試，前前后后做出了大概四五十個(gè)器件。

今年4月初，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生給王肖沐發(fā)來一張電子干涉圖，上面的信息顯示——實(shí)驗(yàn)終于成功了。當(dāng)時(shí)，王肖沐激動(dòng)地幾乎要跳起來。

“4年前，我肯定想不到，能取得這樣的成果。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中遇到了各種各樣的問題，如今回想起來，這一切的付出都是值得的。”王肖沐感慨道。

從2014年11月到2018年10月，歷時(shí)整整4年，這項(xiàng)成果最終發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志上。