独辟蹊径科研路 求是创新勇登攀

□王 涵

科学研究不能墨守成规，有时候反其道而行之的科研思维，可能会为科学研究打开一个新的局面。“不走寻常路”的付磊就是这样一位“有想法”的科研人。

21世纪初，石墨烯横空出世，以其为代表的二维原子晶体因优越的电子传输性能、光学特性等得以在诸多领域表现出诱人的应用前景。然而，若要进一步发展二维原子晶体的基础研究、推动其应用进程，实现二维原子晶体的可控生长是必经关隘。

十几载求是，科研路上勇攻坚。以电子信息、能源领域的应用需求为导向，武汉大学化学与分子科学学院教授付磊聚焦于碳纳米管、二维原子晶体及其异质结的可控生长和组装，建立新型的适宜于器件应用的材料生长方法。通过不断尝试与探索，近年来，他与科研团队独辟蹊径，利用液态金属的特殊性质，发展出一系列有特色的化学气相沉积（CVD）方法，在二维原子晶体及其异质结的可控生长、组装与转移方面取得了一系列原创性成果。

坚定方向，深入探索石墨烯

科研是一个探索未知的过程，需要与不确定性长期共处。在付磊看来，在科研领域探索未知的乐趣是一直存在的，重要的是能正确选定自己一生甘愿奋斗的方向。

2001年，付磊从武汉大学本科毕业后来到了中国科学院化学研究所，师从刘云圻院士、朱道本院士攻读博士学位。付磊在博士期间的研究是基于碳纳米管开展的，他发展了碳纳米管的可控包覆和修饰方法，构筑了一系列创新性的原型电子器件。博士毕业后，他赴美国洛斯阿拉莫斯国家实验室继续从事碳纳米管方面的研究工作，研究重心从电学性能转变为力学性能。2008年，付磊加入北京大学刘忠范院士团队担任副研究员。当时，刘忠范院士团队也在从事碳纳米管相关的研究工作，该如何选取自己未来的研究方向，成了摆在付磊眼前的一个非常现实的问题。是该承继之前碳纳米管的工作，还是另选新题，他陷入了深深的思考。

“可控才有真正的未来，不可控就只能停留在实验室研究的阶段，随着结构的变化，碳纳米管既可以是金属性的，也可以是半导体性的，这是件好事，也是一件坏事，其劣势在于如果无法控制碳管的结构（手性），就难以诞生撒手锏级应用。”付磊说。石墨烯与碳纳米管都是由sp2杂化的碳原子组成的，两者有着类似的应用领域，但是石墨烯没有碳纳米管的手性控制问题，也许石墨烯是个不错的研究方向。彼时，在中国还鲜少有科研人员从事石墨烯的可控生长研究，在刘忠范院士的支持下，付磊便开始在这一方向上进行不遗余力的探索，他所发展的偏析生长方法实现了晶圆级石墨烯的制备，所提出的二元合金策略首次实现了严格单层石墨烯的生长。然而，他们发现所制得的单层石墨烯的电学性能不佳，背后的原因困扰了付磊很久。

“工欲善其事，必先利其器。”具有原子级分辨率和各种分析功能的球差校正透射电镜是深入研究石墨烯微观结构的利器。2011年国内尚缺乏这类仪器，于是付磊前往德国莱布尼茨固态和材料研究所开展了合作研究，利用球差电镜他发现，通常方法看起来完美无瑕的石墨烯就像袈裟一样，是由很多纳米级的“破布头”拼接而成的，这也是为什么其电子输运性能不佳，远不及理论预期的原因。

独辟蹊径，建立液态金属生长体系

得益于这段在德国的研究经历，付磊明确知道了困扰自己研究的关键所在，他坚定了要可控生长高质量石墨烯单晶的决心，这也成了他科研道路的转折点。2012年，付磊全职加入武汉大学化学与分子科学学院，创建了先进纳米材料实验室（LAN），开始独立带领团队致力于石墨烯等二维原子晶体的可控生长及应用研究。

采用CVD法生长二维原子晶体需要依托于催化剂衬底，而催化剂的表面形貌与结构会影响其上生长的二维原子晶体。传统使用的固态金属催化剂并不是完美的单晶，其表面存在着晶界、畴区等多种缺陷，这些缺陷会导致二维原子晶体的不均匀成核及生长。故而如何降低催化剂表面的缺陷，成了诸多科学家努力的方向。

付磊带领其研究团队从另一个研究角度出发，开始了全新的开拓。“既然将催化剂的缺陷密度降低为零是不可能的，倒不如反其道而行之，选用一个满是缺陷的表面——液态金属表面来实现二维原子晶体的均匀生长。”付磊说。液体金属表面是没有晶格的，其中的金属原子进行着热迁移，原子团簇间不断发生着重组，就像我们日常看到的湖水一样，每一滴水在湖面上的位置都是动态但又不可区分的。而付磊团队正是利用了这样一个无序但均匀的表面来生长石墨烯，他们惊喜地发现，在液态金属表面石墨烯的生长遵循严格的自限制生长行为，很容易就能获得严格均匀的单层石墨烯，而且对生长参数的差异容忍度很高，更重要的是，其晶畴较之固态基底上生长的石墨烯大了不少。而这仅仅是一个美妙的开始，依托着液态金属具有流动性的特点，付磊团队实现了二维原子晶体在液态表面的自组装，获得了首个超有序的二维单晶阵列结构；依托于液态体相能包埋异质原子的特点，二维原子晶体的体相传质生长机制被触发，他们实现了二维原子晶体单晶的伴生生长，获得了100%堆垛、界面清洁的二维原子晶体异质结。

但付磊并不满足仅仅在实验室实现二维原子晶体的可控制备，液态金属基底用于生长二维原子晶体是否具有可放大性呢？这是付磊一直很在意的问题，终于他从一项制备浮法玻璃的传统技艺中得到了启发。在池子中倒入液态金属铟，能形成一个均匀的液态表面；然后融化的玻璃原料像水一样流入液池且自发铺展，由于密度差异，玻璃液就会非常均匀地铺展在液态金属表面，随之进行冷却凝固，即可获得表面平整的大块玻璃，这与付磊团队在液态金属表面进行二维原子晶体的大面积生长有异曲同工之妙。

做好生长只是第一步，若要将二维原子晶体用于构筑各类电子器件，还需要发展一种高效、洁净、无损的转移方法将其从生长的金属基底转移到各类绝缘基底上，满足不同的应用需求。在研究中，付磊团队利用液态金属在熔融状态下原子具有可易位性的特点，将液态金属上生长的石墨烯等二维原子晶体直接滑移到了目标衬底上，这个过程像用铅笔在纸上写字一样迅速，而且由于整个转移过程不涉及聚合物转移媒介，转移后的二维原子晶体表面十分洁净。如果将这种新型的滑移方法集成于液态金属浮法制二维原子晶体的工艺中，有望实现二维原子晶体的超大面积制备和快速无损转移，继而有望推进其在电子器件领域的应用进程。

付磊

从零开始，走自己的科研路

万事开头难。付磊只身前往武汉大学开展科研工作时，整个武汉大学乃至华中地区鲜少有人从事二维原子晶体的可控生长研究。在建立自己的实验室之初，付磊面临的最大困难就是学生对石墨烯等二维原子晶体一无所知。

在德国从事研究工作期间，付磊看到德国同行在撰写一本关于石墨烯的专业书籍，这本书对石墨烯的基础结构、性质、表征方法以及器件应用都介绍得十分全面系统，且英文表达也十分地道，可谓是研究生入门石墨烯领域的绝佳教材。当时，付磊就在想，能不能带领学生将这本教材翻译出来，一方面让学生能沉下心来积累石墨烯相关的基础知识，另一方面也能提高他们的专业英语阅读与表达能力，还能供后续的学生乃至全国从事这一领域研究工作的人们阅读。而那时付磊的团队只有三个学生，翻译一本450页的英文专业书对于他们来说无疑压力极大。尽管在翻译中途，付磊无数次想过放弃，但他最终还是坚持了下来，断断续续花了一年半时间，这本国内首部石墨烯学术专业译著《石墨烯：基础及新兴应用》最终于2015年由科学出版社出版发行，如今已重印多次，并在领域内获得了很好的口碑。

从零开始，付磊已经建立了一支近40人的科研团队。在将先进纳米材料实验室从“小舢板”变成“大舰船”的过程中，他始终不忘初心，科研目标明确。他相信把二维原子晶体的可控合成做到极致的那一天，离其真正应用也就不太远了。付磊也是一个极其“居安思危”的人，他时刻保持着兴奋的状态，寻求着科研中的新发现。“要永远记住科研工作者是在一条波动的曲线上，在一个小顶点上停留太久，忘了前行，就离下滑不远了。”付磊如是说。

鲁迅先生说“世上本没有路，走的人多了也便成了路”。走属于自己的科研道路，虽然荒草萋萋、十分幽寂，但也显得更诱人、更美丽。付磊坚信那些未经人选择的路会带领自己走向研究的新天地，未来自己也会留下深深的足迹。