周舒云:踏上二维材料的“新世界”

从清华的物理学生到清华的物理教授,周舒云的人生经历简单而梦幻。 简单的事情是,她的工作和生活都在学校,梦想是她的课题研究总能找到“秘密” 周舒云领导一个由10多名博士生组成的实验室研究“石墨烯”和“拓扑半金属”…她深入研究凝聚态物理,并利用“角分辨光电子能谱”技术,对石墨烯、第二类拓扑半金属、过渡金属硫族化物、新拓扑材料和异质结等新型电子结构的研究做出了重要贡献。 2017年,周舒云获得第十三届“中国女青年科学家奖” 在她眼里,深奥的“石墨烯”就像一堆木头一样周舒云的数据。在电影《阿凡达》中,导演通过电脑特效向我们描绘了一个虚构的星球潘多拉。 强大的人类舰队穿越数光年来到这里,破坏生态,杀害土著居民,以便在这个星球上获得一种特殊的资源:无形资源(Unobtainium)。 这种元素在地球上的价格是每公斤2000万美元。 电影中闪现的特殊材料“不可得”在翻译成中文字面意思时,实际上被称为“稀有元素”。 这不是一个杜撰的词。在航空空领域,人们使用“稀有元素”来描述性能完美的材料,例如轻如空但硬如钢的材料 今天,一种全新的材料正在接近人类梦里的“稀有元素”,即石墨烯。 像普通的石墨棒和铅笔芯一样,它都是由碳原子组成的。然而,它只是由平面上的一层碳原子组成。可以说,它的特点是薄,薄得不能再薄了。 根据已知信息,它的厚度只有发丝的1/20万,强度是钢的200倍。这是世界上已知的最薄、最轻和最坚固的材料。如果石墨烯被用来制造快速充电手机,它可以在20秒内充满。 周舒云是世界上第一批利用角分辨光电子能谱研究石墨烯的研究者之一。 她于2002年毕业于清华大学物理系,去加州大学伯克利分校攻读博士学位。 2007年获得博士学位后,她在伯克利国家实验室做了四年博士后和项目科学家。 2012年,周舒云回到了他的母校清华大学,成为中国物理学中最年轻的女科学家之一。 普通人认为,无聊而深奥的物理研究,在周舒云看来,是一条非常快乐和幸福的道路。 “这就像最简单的乐高积木,可以被制成各种不可思议的东西 经过彻底研究的不同材料被“拼接”后,它们的相互作用将产生比原始单一材料更有趣的特性,其中一些甚至超出了我们的预期。 “一寸一寸进行科学研究的乐趣来自“摩尔定律”(Moore Law),该定律主导了电子信息产业的快速发展几十年,并即将结束。仅仅依靠晶体管尺寸的减小不仅会受到工艺成本的限制,还会带来棘手的功耗和散热问题。 近年来,世界在石墨烯等二维材料的研究上投入巨资,希望找到一种可以替代硅的理想半导体材料。 周舒云说:“在过去的十年里,人们发现虽然石墨烯有一些非常奇怪的性质,但它缺乏半导体器件的重要特性——能隙 “ARPES是对材料能带结构的直接测量,它可以揭示许多以前未曾发现的新材料特性 能带结构几乎决定了一种物质的所有主要特征,就像生物体的脱氧核糖核酸决定了生物体的特征一样。 可以说,能带起着“物质脱氧核糖核酸”的作用 周舒云在2012年建立自己的实验室后,她利用这些技术一方面找到了有可能“超越石墨烯”的新材料,另一方面又将熟悉的材料与全新的特性结合起来 一种新材料是“过渡金属硫族化物”,具有与石墨烯相似的蜂窝结构。 这个家族的许多成员仍然缺乏研究和探索,例如铂二硒化物(PtSe2) 周舒云和他的合作者不仅首次成功制备了单层二硒铂,还揭示了该材料体系具有高达1.2电子伏特的能隙,这是石墨烯所不具备的性质,这使得二硒铂在光催化和光电效应领域具有重要的应用潜力。 实验证明单层铂二硒化物具有半导体性质,而多层累积铂二硒化物“单晶”是一种新型拓扑材料“半金属” 周舒云的团队一路将碲化钼(Mote2)作为目标,“过渡金属硫族化物”中的另一种材料体系——很快,他们从实验中直接证实低温下的碲化钼具有理论预测的“第二类外半金属”的特征。 研究结果为层状材料实现拓扑电子器件开辟了一个新的体系。 为了找到理想的材料,除了希望有新的材料系统,另一个策略是重组一些熟悉的材料。 周舒云感兴趣的“石墨烯/氮化硼异质结”是层状氮化硼和石墨烯的结合。虽然这两种材料的原子排列非常相似,但由于原子对称性不同,这两种材料的性质有很大不同——石墨烯具有“半金属”的性质,而氮化硼是不导电的绝缘体 在两种材料通过弱范德华力结合形成异质结后,两种材料中的石墨烯具有最初无法获得的半导体特性。 她的团队随后首次使用ARPES技术观察并确认石墨烯/氮化硼异质结中的能带结构和能隙,并利用直接测量结果解决了材料系统中与能带调控相关的一些关键科学问题。 “女医生”不使用科学力量来改变世界。周舒云的证明指向了周舒云的凝聚态物理场。国内外的男女差距很大。 然而,一个女人是否适合科学研究从来就不是她的问题——因为“周围有好的榜样” 周舒云提到,她出国留学期间的博士生导师亚历山德罗兰扎拉(AlessandraLanzara)是一位优秀的女科学家:“我开始当医生的那一年也是她开始在伯克利教书的那一年。” 几年后,我看到她是如何从零开始一步一步成立一个小组,并取得了良好的研究成果。 在这个过程中,她建立了一个家庭,有了孩子,工作和生活井然有序。 由于国家对科学技术的重视和中国整体科研环境的改善,中国从事科学研究、开发、传播和应用的女性科研工作者人数日益增加,其中包括许多取得显著成就的杰出女性科学家。 然而,由于传统观念和社会认知的影响,继续参与科学并晋升到高级职位的妇女比例仍然很低。 当她的一些同龄人进入职业困惑时期时,周舒云觉得现在是最好的状态——与她以前的无知和困惑相比,她现在更清楚地知道自己的方向、能力和目标。 岁月没有在她脸上留下太多的痕迹,但是经验给她带来了成熟和确定。

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