24歲成為博導(dǎo)，電子科大研究員用兩顆鉆石，讓原子級(jí)厚度的材料變薄，可用于新型超高壓傳感器 | 專(zhuān)訪

“我曾幾度因?yàn)椤?90 后博導(dǎo)’的標(biāo)簽上了熱搜，也不知道是不是因?yàn)樯狭藷崴?，我又再一次站在這個(gè)臺(tái)上。好一個(gè)復(fù)雜曲折的‘莫比烏斯環(huán)’，雖然看似經(jīng)過(guò)兩年又回到了（入職時(shí)的）起點(diǎn)，但卻是兩種完全不同的狀‘態(tài)’，也從來(lái)沒(méi)有停下過(guò)努力向前的腳步?！?/span>

2020 年秋季，在電子科技大學(xué)格拉斯哥學(xué)院開(kāi)學(xué)典禮上，該?；A(chǔ)與前沿研究院的博導(dǎo)夏娟，代表全學(xué)院導(dǎo)師發(fā)言。本次采訪中，她向 DeepTech 獨(dú)家透露了這份演講稿。

夏娟是四川廣安人，出生于 1994 年，4 歲上小學(xué)，24 歲成為大學(xué)老師。今年 27 歲的夏娟，主要研究凝聚態(tài)物理，其本科畢業(yè)于四川大學(xué)材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)，博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)物理與應(yīng)用物理系。

促使中國(guó)西部高校誕生首篇 Nature Physics  第一單位和通訊單位論文

幾個(gè)月前，夏娟以第一作者和共同通訊作者身份，讓中國(guó)西部高校誕生了首篇以第一單位和通訊單位發(fā)表在 Nature Physics 的原創(chuàng)研究論文，其他合作者有電子科大王曾暉教授、南工大閆家旭研究員等。

論文題為《二硒化鎢 - 二硒化鉬雙層異質(zhì)結(jié)的層間強(qiáng)耦合及高壓調(diào)控研究》（“Strong coupling and pressure engineering in WSe2-MoSe2 heterobilayers”）。

俗語(yǔ)稱(chēng)，人無(wú)壓力輕飄飄，井無(wú)壓力不出油。這不僅適用于教育學(xué)和心理學(xué)等領(lǐng)域，也同樣適用于物理學(xué)。

本次研究中的金剛石對(duì)頂砧（DAC）裝置，其主要構(gòu)成部分是兩顆尖對(duì)尖的鉆石，也就是金剛石壓砧。其中，兩顆金剛石尖頂之間的極小墊片包裹著鉆石。

夏娟表示，當(dāng)推動(dòng)金剛石壓砧中的兩顆金剛石相向而行時(shí)，金剛石尖頂之間的空間被急劇壓縮 ，空間中除了樣品 ，還充滿了硅油等液體傳壓介質(zhì)，由此可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)難度非同一般。

而墊片就像緊箍咒一樣，可以緊緊箍住液體傳壓介質(zhì)，從而讓其 “無(wú)處可逃”，這時(shí)樣品所處空間的壓強(qiáng)就會(huì)急劇上升 ，進(jìn)而會(huì)給樣品施加可達(dá)百萬(wàn)個(gè)大氣壓的超大 靜水壓 。

談到這里，她舉例稱(chēng)， 這和潛水員潛入深海時(shí)會(huì)受到不斷增加的水壓，是一樣的道理。 

本次研究中，她利用可產(chǎn)生百萬(wàn)大氣壓強(qiáng)的 DAC 裝置，對(duì)比千分之一蟬翼厚度還要薄的二維異質(zhì)結(jié)材料，實(shí)現(xiàn)了高效壓縮，并系統(tǒng)研究了二維異質(zhì)結(jié)的層間激子發(fā)光、電子能帶結(jié)構(gòu)等物理特性隨壓強(qiáng)變化的響應(yīng)。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，這里的二維異質(zhì)結(jié)可以認(rèn)為是，通過(guò)特定方法把不同二維材料堆疊起來(lái)，從而生成新的二維材料體系。就好像把幾片‘蟬翼’貼一起，從而形成新的 “復(fù)合蟬翼”。

在實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理的研究中，“壓強(qiáng)工程” （Pressure engineering） 是一個(gè)重要的調(diào)控材料物理特性的手段，它不僅能和電學(xué)研究以及原位光學(xué)相結(jié)合，還具備高效、連續(xù)、可逆等優(yōu)勢(shì)。

人類(lèi)日常生活的壓強(qiáng)是 1 個(gè)大氣壓，海底一萬(wàn)米的壓強(qiáng)大約是 1000 個(gè)大氣壓，利用本次研究中的裝置，可輕松實(shí)現(xiàn) 1000000 個(gè)大氣壓的高壓。

她表示，本次研究很像是把二維異質(zhì)結(jié)這種 “復(fù)合蟬翼”，放到萬(wàn)噸水壓機(jī)之間，用比泰山還重的極高壓強(qiáng)，去讓兩片 “蟬翼” 貼合得更為緊密。

如此便可改變 “蟬翼” 間的相互作用，進(jìn)而去觀察上述施壓過(guò)程，對(duì)整張 “復(fù)合蟬翼” 性能的調(diào)控作用。

而她研究的二維材料，通常是原子級(jí)別的厚度，連蟬翼厚度的千分之一都不到。夏娟表示，在對(duì)微小樣品施加超高壓強(qiáng)上，金剛石對(duì)頂砧裝置擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，也是一個(gè)十分強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)手段。

據(jù)了解，金剛石頂部砧面的直徑一般僅有幾分之一毫米，這大概是幾根頭發(fā)絲加起來(lái)的直徑。

因此，在這項(xiàng)研究中，通過(guò)使用 DAC 高壓技術(shù)，對(duì)頂放置的兩顆鉆石的微米級(jí)砧面處，可產(chǎn)生接近地心壓強(qiáng)的超高靜水壓環(huán)境，進(jìn)而可給二維材料體系帶來(lái) 30%  以上的體積變化，如此便可大幅、且高效地調(diào)控所研究的材料體系。

在光電器件以及高壓傳感器方面具有獨(dú)特潛力

由于 “層內(nèi)共價(jià)鍵 - 層間范德華作用” 的結(jié)構(gòu)特性、及其多樣化的能帶匹配和層間耦合作用等特點(diǎn)，二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可表現(xiàn)出豐富的光學(xué)、電學(xué)和光電特性，在制備新型光子器件、電子器件和光電器件上具有獨(dú)特潛力。

尤其是具有強(qiáng)層間耦合作用的二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，其層間激子行為非常顯著，在信息器件領(lǐng)域的應(yīng)用前景更佳。

但是，二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的層間激子，對(duì)于層間距離十分敏感。因此，利用壓強(qiáng)等外界調(diào)控手段，來(lái)改變二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的間距離，可實(shí)現(xiàn)對(duì)層間激子及相關(guān)物理特性的高效調(diào)控。

基于此，在獲得層間強(qiáng)耦合 WSe2-MoSe2 二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上，利用其層間距離、可被外界壓強(qiáng)高效調(diào)控的特點(diǎn)，夏娟采用 DAC 裝置順利實(shí)現(xiàn)了高壓下微觀結(jié)構(gòu)和物理特性的原位調(diào)控。

此外在實(shí)驗(yàn)中，她還觀察到了這類(lèi)二維異質(zhì)結(jié)的層間激子行為，在一萬(wàn)個(gè)大氣壓 （1 GPa） 周?chē)l(fā)生的明顯變化，在理論計(jì)算該二維異質(zhì)結(jié)、在不同壓強(qiáng)下的電子能帶結(jié)構(gòu)之后，她成功解釋了這一獨(dú)特的突變現(xiàn)象。

事實(shí)上，以過(guò)渡金屬硫化物 （TMDC） 為代表的二維層狀半導(dǎo)體材料，由于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)、以及優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，如原子級(jí)厚度、理想的禁帶寬度、高電子遷移率等，已經(jīng)在光電傳感、自旋 - 谷電子器件、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等電子及光電子領(lǐng)域引起全世界的研究熱潮。

值得一提的是，層間范德瓦耳斯相互作用，是二維材料和其異質(zhì)結(jié)所具有的獨(dú)特性質(zhì)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行高效地調(diào)控，便可大幅度改變二維材料的物理特性。

在近幾年的研究中，夏娟通過(guò)堆垛、壓強(qiáng)和應(yīng)力等手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于二維 TMDC  層間耦合作用的高效調(diào)控，也實(shí)現(xiàn)了與之相關(guān)的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和光電等物理特性的高效調(diào)控。

具體而言，她利用僅具有不同堆垛方式、但相同厚度的同一種材料，來(lái)設(shè)計(jì)并制備出一些納米電學(xué)和納米光電器件，這能給未來(lái)基于這類(lèi)新型材料的超快、超薄、超平器件的實(shí)現(xiàn)提供一些理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

同時(shí)，利用 DAC 技術(shù)提供的超高壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維異質(zhì)結(jié)中層間耦合作用的高效調(diào)控，而這能推動(dòng)基于這類(lèi)二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的新型激子型器件研究，也可為新型信息器件的探索和應(yīng)用提供新思路。

盡管該工作屬于基礎(chǔ)型物理研究，但也具備一定應(yīng)用價(jià)值。無(wú)論是在高壓下開(kāi)展基于新型敏感材料的物理特性研究，亦或是開(kāi)發(fā)新型超高壓傳感器，都可以借鑒本次成果。

此外，對(duì)于推動(dòng)中國(guó)深地深海探測(cè)技術(shù)進(jìn)步，加速頁(yè)巖氣等現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，本次研究也具備相應(yīng)的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

“請(qǐng)將每天用到極致，無(wú)論學(xué)習(xí)還是玩?！?/strong>

截至目前，夏娟已榮獲 2017 年度中國(guó)優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)、2018 年度南洋理工大學(xué)女科學(xué)家獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)， 2018 年入選電子科技大學(xué) “百人計(jì)劃”。并于去年入選 “2020 中國(guó)十大新銳科技人物”

目前，她還擔(dān)任 Chinese Physics Letters（CPL）、Chinese Physics B（CPB）、《物理學(xué)報(bào)》和《物理》四刊聯(lián)合青年編委。

2018 年頻上熱搜之后，她坦言：“除了感慨當(dāng)今自媒體的速度和流量，以及面對(duì)一些惡言相向的質(zhì)疑之外，（但）更多的是感受到了來(lái)自整個(gè)社會(huì)的關(guān)心”。

面對(duì)質(zhì)疑，她在回復(fù)同學(xué)的信件中表示：“爺爺是我沒(méi)敢在文章里提到的人，但卻是我對(duì)這個(gè)世界開(kāi)啟求知和好奇的啟蒙人。高考的前一個(gè)月，我得知了爺爺去世的消息，緊接著的那一次高考模擬測(cè)試排名下滑至三十名開(kāi)外，老師和家人也開(kāi)始為我擔(dān)憂，但還是變著法兒地鼓勵(lì)我去夠那個(gè)清北夢(mèng)...... 最后發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)可以上川大的時(shí)候，他們（夏娟父母和哥哥）笑著笑著就哭了，哭完了繼續(xù)笑，然后擁抱，慶祝......”

2020 年秋季，已經(jīng)開(kāi)始傳道受業(yè)解惑兩年有余的夏娟，在開(kāi)學(xué)典禮演講的最后，給學(xué)生們留下了這樣的建議：“請(qǐng)不要抱憾過(guò)去，更無(wú)須空想未來(lái)；請(qǐng)將每天用到極致，無(wú)論學(xué)習(xí)還是玩耍；請(qǐng)珍惜屬于你們的時(shí)代...... 用力地綻放吧?！?/strong>

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