“黑金”“新材料之王”“價(jià)格10倍于黃金”……從一眾抓人眼球的詞匯中，不難看出人們對(duì)石墨烯的期待。
2004年，英國(guó)物理學(xué)家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出單層石墨烯，自此，二維材料進(jìn)入了人們的視野。
作為人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)二維材料，石墨烯的應(yīng)用范圍非常廣泛。由于導(dǎo)電性好，石墨烯剛制備出來時(shí)更多地被當(dāng)做一種電子材料，主要用作透明導(dǎo)電膜、傳感器、光探測(cè)器等等。但隨著研究的不斷深入，基于二維材料制備的器件也體現(xiàn)出各種優(yōu)異的特點(diǎn)，國(guó)際范圍內(nèi)的相關(guān)研究競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。
對(duì)于中科院物理研究所研究員張廣宇來說，石墨烯是他在科研工作中最早涉及的二維材料。2006年，在美國(guó)物理學(xué)會(huì)舉辦的三月會(huì)議上，當(dāng)時(shí)還在從事博士后研究的張廣宇第一次接觸到石墨烯。
“這個(gè)領(lǐng)域很新，我在會(huì)上聽了一些相關(guān)的報(bào)告，對(duì)這種新材料非常感興趣。”張廣宇表示。之后，他便一直關(guān)注著石墨烯領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，并且開始著手準(zhǔn)備石墨烯相關(guān)的研究工作。
回國(guó)以后，張廣宇便把主要精力放在了對(duì)石墨烯的研究上。從2008年到現(xiàn)在，張廣宇已經(jīng)在二維材料領(lǐng)域耕耘了整整12年。
專注二維材料
在物理所，張廣宇組建起一個(gè)能在低維物理和納米材料方面開展高水平實(shí)驗(yàn)工作的研究小組，并取得了一系列具有國(guó)際水準(zhǔn)的原創(chuàng)性工作，其中代表性成果之一，便是對(duì)石墨烯摩爾超晶格的研究。
石墨烯襯底對(duì)石墨烯性質(zhì)影響很大。相比于氧化硅襯底，六方氮化硼襯底具有原子級(jí)平整的表面、無懸掛鍵、摻雜效應(yīng)弱等優(yōu)勢(shì)，因而可以更好地保持石墨烯的本征物理性質(zhì)，而且石墨烯在六方氮化硼上會(huì)形成二維超晶格結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算表明，二維超晶格可以調(diào)控石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，形成附加的狄拉克點(diǎn)，進(jìn)而為探索一系列新的物理現(xiàn)象如分形能譜等提供有效手段。
以往采用物理轉(zhuǎn)移技術(shù)將石墨烯“放”在六方氮化硼表面的加工方法往往具有不確定性，其容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不確定、不均一、介面污染等諸多問題。因此，如何控制石墨烯在六方氮化硼上的堆垛方式，使二維超晶格周期確定、大尺度均一、高質(zhì)量無污染就成了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。
2013年，張廣宇團(tuán)隊(duì)在前期無催化直接生長(zhǎng)石墨烯技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種先多點(diǎn)取向成核再融合成膜的創(chuàng)新思路，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了六方氮化硼惰性襯底上石墨烯的可控范德爾瓦斯外延�，F(xiàn)在，這種做法已經(jīng)成為近年來大尺度單晶石墨烯生長(zhǎng)的主流思路。
基于石墨烯異質(zhì)外延技術(shù)，張廣宇帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了石墨烯摩爾超晶格中的能帶結(jié)構(gòu)和量子輸運(yùn)現(xiàn)象，引領(lǐng)了國(guó)際上二維超晶格物理的實(shí)驗(yàn)研究。他們的研究表明，外延石墨烯和氮化硼襯底具有零轉(zhuǎn)角的晶格堆垛方式，形成了約15納米周期的二維超晶格結(jié)構(gòu)，改造了石墨烯的能帶，在超晶格布里淵區(qū)的M點(diǎn)形成新的狄拉克點(diǎn)。這一系列研究結(jié)果為石墨烯的外延生長(zhǎng)以及二維超晶格的物理研究提供了新的方法和思路。
除了研究襯底誘導(dǎo)的石墨烯摩爾超晶格，近期，張廣宇團(tuán)隊(duì)還從AB堆垛的雙層石墨烯出發(fā)，研究了雙層—雙層石墨烯（“2+2”）魔角體系。他們的研究結(jié)果表明，由AB堆垛的雙層石墨烯構(gòu)筑的轉(zhuǎn)角雙層—雙層石墨烯體系，同樣存在電子平帶，且平帶結(jié)構(gòu)可以受到位移電場(chǎng)的調(diào)控。他們的研究結(jié)果為從實(shí)驗(yàn)和理論上研究鐵磁莫特絕緣體和鐵磁超導(dǎo)提供了可能。
初心源自興趣
這些具有國(guó)際影響力的研究成果的取得，與張廣宇開展科學(xué)研究的初心是分不開的。
“我從事科學(xué)研究是源于興趣，而不是靠項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，我不會(huì)為了獲得項(xiàng)目而研究自己不感興趣的問題。”在談到自己做科研的初心時(shí)，張廣宇表示：“之所以選擇二維材料這個(gè)研究領(lǐng)域，一方面是希望利用二維材料來研究基礎(chǔ)科學(xué)問題，另一方面則是相信這些新材料在未來可能會(huì)帶來革命性的應(yīng)用。”
因?yàn)閺氖碌氖菍?shí)驗(yàn)工作，張廣宇十分看重實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在長(zhǎng)期的科學(xué)研究中，他始終秉持著“可重復(fù)性”這一原則。
“即使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果再好，如果不可重復(fù)，也不是我們追求的結(jié)果，我們發(fā)表的研究成果一定得是他人在同等條件下可以重復(fù)的，這一點(diǎn)對(duì)于科學(xué)研究來說至關(guān)重要。”張廣宇強(qiáng)調(diào)。
勇于擔(dān)當(dāng)作為
作為中科院物理所納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，張廣宇在做好自身科研工作的同時(shí)，也肩負(fù)著把好實(shí)驗(yàn)室發(fā)展方向，帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)步發(fā)展、不斷進(jìn)取的使命。
2020年新冠肺炎疫情期間，防疫工作不能松懈，復(fù)工復(fù)產(chǎn)迫在眉睫，尚處于建設(shè)期的松山湖材料實(shí)驗(yàn)室面臨重重困難。逆行者唯艱，在疫情較為嚴(yán)重的二三月份，張廣宇以身作則，奮斗在松山湖材料實(shí)驗(yàn)室復(fù)工復(fù)產(chǎn)工作的一線，彰顯了一名團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍者的擔(dān)當(dāng)與奉獻(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)室全體成員的共同努力下，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室在疫情期間穩(wěn)步發(fā)展、壯大，得到了廣東省政府的高度評(píng)價(jià)。
正是這種敢于擔(dān)當(dāng)、孜孜不倦的不懈追求，讓張廣宇能夠在青年一代科研人員中脫穎而出。也正是因?yàn)橛邢駨垙V宇這樣不忘初心、勇攀高峰的科研工作者們前仆后繼，我國(guó)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域才能一直保持旺盛的競(jìng)爭(zhēng)力，向著更多重大原創(chuàng)性成果不斷前進(jìn)�！�