致力于二维材料的创新研究

肖延胜

二维材料，是指一些可以薄到一个或者幾个原子层的材料，厚度只有1纳米左右，一般从其层状的母材料被剥离到单层获得。二维材料是抽象平面在物质层次上的极限表达，其拥有的新奇特性本质源自低维度的量子限域效应对波函数的影响。伴随着2004年曼彻斯特大学Geim小组成功用玻璃胶带分离出单原子层的石墨材料——石墨烯，二维材料的概念走进大众的视野。“青年千人计划”特聘专家，南方科技大学副教授林君浩博士致力于二维材料的研究，尤其专注二维材料缺陷结构与性质的科研探索，并取得一定的成绩。

实验理论双管齐下

林君浩出生于广东省广州市，在华南理工大学光信息科学与工程专业毕业后，前往美国范德比尔特大学攻读物理学博士学位。“前往美国读博士的时候，我想选择一个更注重实验的导师。在与导师沟通的过程中，我得知他有意向培养兼具实验和理论双重背景的学生，因为这样会使理论和实验融会贯通，更好的解决科研问题。导师的话让我意识到自己之前的想法是片面的，真正的科研应该是理论与实践相结合的。”纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。科研思想意识的升华让林君浩找到了科研的新方向，并在异国他乡开始了科研的新旅程。

在球差扫描电镜操作间进行高分辨二维材料成像实验

通过结合实验原子图像和理论模拟计算，林君浩明确了二维材料里各种缺陷的形成机理，并提出了部分缺陷结构能显著改善或增强材料的性能。这些工作在二维材料的电子与光学器件应用等方面有极其重要的意义。在表征二维材料的研究中，林君浩取得了丰硕的成果。他利用低电压扫描透射电子显微技术得到双层石墨烯中不同堆垛晶界的原子结构。通过结合分子动力学模拟，林君浩还揭示了双层石墨烯材料中存在着渐变的晶界结构。这种结构能够以波纹的形式缓解不同堆垛结构结合处产生的应力。这跟传统材料的晶界结构完全不一样，同时这样的晶界结构可能极大地改变电子在晶界里的传输特性。除此之外，在新型二维异质结构材料中，林君浩创新性地运用低电压显微技术得到了两种不同二维材料的侧向连接晶界的清晰原子结构。在实验过程中，通过对晶界化学组成的拟合，林君浩首次得到了二维材料中侧向异质结晶界的精细原子分布图。这一成果意义重大，进一步证明了两种二维材料在晶界处的存在能够无缝对接的晶界。林君浩再接再厉，继续开展深入的理论研究。通过理论预测，这样的晶界结构将产生微小的能带扭曲，从而导致形成一个完全平面的二维p-n结。这个研究成果促进了人们探索二维材料在光电探测器件和太阳能发电中的应用。

“在美国进行科研的这些年，我始终坚信科研需要理论和实际相结合。”一直坚持此科研信条的林君浩不仅在二维材料复杂缺陷中的表征研究方面取得丰硕成果，同时对二维材料缺陷的动态演化过程和阐述背后的物理机制也做出了重要贡献。林君浩利用低电压连续扫描成像技术研究二维平面材料二硒化钼（MOSe2）的硒空穴的动态演变的过程。在这一实验中，他发现了硒空穴具有群体动态行为，并最终能够演化成三角形的反向晶畴。为了分析研究反向晶畴的形成原因，林君浩通过结合泛函理论的原子计算，最终发现二维材料为了释放不断堆积的硒空穴所产生的应力，从而形成该反向晶畴，以此保护其二维平面结构。这些研究成果受到了同行的广泛引用，对于缺陷在高温高压等极端环境下对二维材料形貌改变有了新认识。

林君浩还发展了低电压扫描透射电子技术的可控扫描技术，实现直接在二维材料里刻蚀仅有三个原子宽度的金属纳米线技术。该技术具有原子级精度，能够解决纳米二维材料器件之间实现侧面桥接纳米线的难题，对推动二维材料的平面集成电子电路发展起关键性作用。实验过程中，他利用电脑编程精确刻蚀材料的指定区域，首次制作出了复杂的原子级纳米线结构，如纳米线的方向偏转、分叉等复杂的连接结构。以此工作为基础，林君浩继续深入研究，进一步阐明了合金纳米线的存在。通过置换在纳米线里不同的阳离子和阴离子，得到具有不同合金浓度的纳米线，同时通过调节合金浓度来达到调控其电子结构的目的。这些研究成果为将来在二维电子器件中直接制作原子级金属连接导线打下了基础。在美国的科研时光为林君浩积累了丰富的理论和实践经验，这也坚定了他继续进行二维材料研究的决心。

做科研的传承者

自21世纪以来，中国始终坚定不移地实施创新驱动发展战略和人才强国战略，大力扶持创新型科研项目成了中国科技发展的重中之重。目前，新兴发展的二维材料研究项目在中国仍需要大量的参与者共同推动其发展。对祖国的责任感和使命感促使林君浩回到中国，利用自己的科研经验及科研成果，继续二维材料的科研探究。由于层间量子耦合效应的消失，单层二维材料表现出与其对应的块体材料截然不同的新奇性质，这里面还有很多有意思的物理现象值得探索，同时也可能设计出新一代的超薄电子器件。利用之前在二维材料研究中积累的丰富经验和成果，接下来林君浩将对新型二维材料器件在实际工作环境条件下缺陷结构的实时动态演化进行研究。目前，林君浩任职于南方科技大学，博士生导师。“除了科研工作外，作为一名教师，其实我更像是传送带。我要利用我的科研知识和经验培养更多的人才为科研事业做贡献。以我个人的经验，我觉得对本科和研究生的课程教授应该是结合实际的研究。所以在我的教学规划里，我打算把自己课题组里的科研成果融入教学课程的知识点中去。这样能给学生们一个具体的例子，说明课本的知识是怎么结合到我们实际的科研工作中的。我觉得这样既能提起学生们对科研的兴趣，又能加深他们对课本知识的学习，一举两得。”对于回国后的规划，林君浩是这样说的。授之鱼不如授之以渔，林君浩在用自己的亲身经历为二维材料的发展做贡献，同时也努力为祖国在新材料领域培养人才，我们相信林君浩一定会给我们带来更多的惊喜。