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晶體制備是一門精細技術，如何提升其穩定性、可控性？北京大學物理學院劉開輝教授團隊首創“晶格傳質—界面生長”晶體制備新范式，讓材料如“頂竹筍”一般生長。“科研工作者應將有限的人生，投入到無限的科研事業中去，始終堅持、始終熱愛，做出有意義、有影響力的成果。”劉開輝說。
晶體，離我們的生活很近。
石英晶體能夠產生穩定的電振蕩，是精準的時間守護者；人工晶體可以用于白內障手術，恢復患者的視力；半導體晶體用于制造晶體管、集成電路等電子元件……
晶體制備是一門精細的技術。在微觀世界里，制備晶體就像蓋房子，“建筑材料”是原子、分子或離子，“設計圖紙”則是晶體的內部結構規律。但隨著“建筑材料”排列逐漸不受控、雜質及缺陷累積，“房子”就會變得歪歪扭扭，甚至坍塌。
如何提升晶體制備的穩定性、可控性？
北京大學博雅特聘教授、物理學院凝聚態物理與材料物理研究所所長劉開輝團隊提出了全新的晶體制備方法——“晶格傳質—界面生長”。該方法能讓材料頂著上方結構，如“頂竹筍”一般生長，顯著提高晶體結構的生長速度和均一性，有望提升芯片的集成度和算力，為新一代電子和光子集成電路提供新材料。相關成果在線發表于《科學》雜志。
一次突發奇想，“造”出10萬層單晶石墨烯
制造芯片，首先要把材料“做薄”。
過去，制造芯片的第一步是制造單晶硅。當單晶硅制程工藝縮小到2納米后，向更小尺度推進，難度便會陡增。硅材料的功能和尺寸，幾乎達到目前技術的極限，尋找其他晶體成為芯片行業的趨勢。
2014年，劉開輝進入北京大學物理學院，組建了以量子材料制備與超快光學技術研究為主攻方向的課題組。“國家的戰略需要，就是科學家要攀登的科研高地。”劉開輝說。
如何更好更快地制備晶體？一次突發奇想，打開了晶體制備新范式的大門。
2019年6月，團隊里“單晶銅箔庫”課題組的博士生張志斌，正在準備高溫處理單晶銅箔。因為銅箔較軟，所以需要將其平整置于石英板材之上。為了避免石英材料中的二氧化硅在高溫時與銅反應生成銅硅合金，他在銅箔下表面額外放置了一層耐高溫隔層材料——石墨紙。
突然，一道靈光乍現：既然能做單晶銅箔，能不能嘗試制備單晶鎳箔？
第二天，打開管式爐腔體時，眼前的景象讓他激動不已——鎳箔的上表面變黑，這意味著極有可能長出了厚層石墨。“單晶石墨極難制備，石墨材料具有易解理性，很難堆疊成厚層單晶石墨。”劉開輝敏銳地意識到其中蘊含的巨大科研潛力。
“要把材料‘做厚’！”劉開輝帶著團隊繼續攻關，成功將單晶石墨的厚度從1微米提高到35微米，實現了10萬層單晶石墨烯的制備。團隊制備出的厚層單晶石墨質量極高，包括均勻的厚度、超大的單晶尺寸、超平整的表面以及超高的熱導率等。
“此前，國內科研用的高端石墨材料主要從國外購買。高質量單晶石墨的制備，能為我國在單晶石墨研究領域爭取到更大的國際話語權。無論把材料‘做薄’還是‘做厚’，團隊的科研目標一直是突破‘卡脖子’技術。”劉開輝說。
從“蓋房子”到“頂竹筍”，找到晶體制備新方法
一粒石子落入水面，激起了思維創新的漣漪。
劉開輝和團隊成員們，一起尋找單晶石墨生長背后的物理機理，并舉一反三，提出了“晶格傳質—界面生長”新范式。
劉開輝介紹，在制備過程中，原子首先在金屬表面，即“地基”上排布形成“第一層晶體”；接著，新加入的原子通過晶格傳輸進入“地基”與第一層晶體之間的縫隙，頂著上方已形成的晶體層生長，不斷形成新的晶體層。
“就像‘頂竹筍’一樣，從根基‘頂’上去，保證每層晶體結構的快速生長和均一排布。”劉開輝舉例，“有好的根基才能長成參天大樹。用這個方法，我們能制備10萬層的晶體材料，一分鐘能長50層。”
與傳統晶體生長方式不同，“晶格傳質—界面生長”不是在表面生長，而是利用晶格來進行傳遞生長，因此能有效避免缺陷積累，實現高質量的晶體制備。
“晶體生長受量子力學控制，一定會出現缺陷。在界面生長的晶體，雖然不能消除缺陷，但缺陷不會‘遺傳’。因為出現缺陷的一層被頂了上去，并不影響下一層的生長。”劉開輝說。
更讓人驚喜的是，這個晶體制備方法具有通用性。利用這一新方法，團隊現已制備出氮化硼、硫化鉬等9種高質量二維晶體，晶體制備層數達到30萬層。
談及研究過程，劉開輝形容，科研攻關跌到過谷底，也會抵達高峰，“穿行在低谷高峰，靠的是對科研的熱愛和堅持。”
始終堅持、始終熱愛，做出有意義、有影響力的成果
“數學、物理、化學等基礎學科一旦有了突破，將帶來幾十年甚至上百年的科技紅利和變革。”劉開輝在北大科學夜跨年演講上說。
2000年，劉開輝進入北京師范大學學習物理專業，畢業后先后到中國科學院物理研究所攻讀凝聚態物理領域博士學位，到美國轉向光學物理領域開展博士后工作。如今，劉開輝的課題組成員近40人，其中有一半在做光學技術的前沿創新，另一半則主攻材料制備，兩個團隊開展交叉融合研究。除了科研，劉開輝還活躍在教學一線，教授實驗科學、近代物理實驗等多門課程。
“科研就是擰好每一顆螺絲，腳踏實地邁好每一步。”劉開輝說，日復一日的基礎性工作，經常面臨失敗，難免感到倦怠。但也正是在一次次實驗中，科學家能將研究成果抽象成物理原理或數學公式，科學研究的真諦逐漸顯現。
從立項時的興奮，到探索時的迷茫、初有成果時的激動，再到持續優化過程中的反復打磨，嘗遍科研過程中的百味，才能真正領略到科研帶來的喜悅。
“科研工作者應將有限的人生，投入到無限的科研事業中去，始終堅持、始終熱愛，做出有意義、有影響力的成果。”劉開輝說。
《 人民日報 》（ 2025年05月07日 12 版）