手機(jī)、電視屏幕，其發(fā)光的核心在于LED小燈珠。但傳統(tǒng)LED技術(shù)有個(gè)難以跨越的短板：燈珠發(fā)的光，50%以上會(huì)被自身結(jié)構(gòu)擋回來，相當(dāng)于光走了“死胡同”，這會(huì)導(dǎo)致屏幕不夠亮，能源消耗大。如果在LED表面刻上密密麻麻的“納米小坑”，光遇到這些“小坑”不會(huì)直接反射回去，而是會(huì)從屏幕正面跑出來——如此一來，原本“浪費(fèi)”的光都能利用起來，屏幕亮度更高、壽命更長。
仁愛路上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院特任研究員、“90后”博士生導(dǎo)師文雯，正帶著團(tuán)隊(duì)全力把這樣的“納米魔法”從實(shí)驗(yàn)室推向更貼近生活的應(yīng)用場(chǎng)景。背靠中國科大的學(xué)科優(yōu)勢(shì)和蘇州工業(yè)園區(qū)“名校走廊”集聚的“能量”，文雯團(tuán)隊(duì)在科研資源聯(lián)動(dòng)中，圍繞“在納米結(jié)構(gòu)中精準(zhǔn)操控光與物質(zhì)相互作用”這一課題，探索光與物質(zhì)在微觀世界里的協(xié)作新方式，更在為下一代光電技術(shù)的落地尋找低成本、高效率的路徑。
用肉眼看不見的納米小零件，讓光從不聽話的直線沖刺者變成按指令走路線、跟材料配合干活的“好搭檔”。獨(dú)墅湖畔，中國科大蘇州高等研究院以微觀世界的技術(shù)突破為筆，勾勒出屬于中國科研的技術(shù)藍(lán)圖。
通過納米結(jié)構(gòu)給光搭建“跑道”
傳統(tǒng)光學(xué)中，光的直線傳播、難調(diào)控及“光與物質(zhì)相互作用弱”特性，制約著光的深度利用。但在微觀世界，光變得靈活善變：可能會(huì)拐彎傳播，還能與納米材料中的電子結(jié)合成光電混合體。“簡(jiǎn)單來說，在現(xiàn)實(shí)世界中，光只能干照明、傳輸信號(hào)等簡(jiǎn)單的活。但在微觀世界，它有更多的可能，比如讓芯片運(yùn)行得更快，讓屏幕更亮還省電，讓太陽能板多發(fā)電。我們的研究，就是希望通過納米結(jié)構(gòu)給光搭建‘跑道’，讓它干更多精細(xì)的活。”文雯說。
博士畢業(yè)于中國科學(xué)院大學(xué)國家納米科學(xué)中心，后又在國家納米科學(xué)中心和新加坡南洋理工大學(xué)從事低維半導(dǎo)體納米材料、光與物質(zhì)相互作用和納米光電器件應(yīng)用研究，研究成果還先后登上物理學(xué)頂級(jí)期刊《PhysicalReviewLetters》、全球最具影響力的科學(xué)期刊之一《NatureCommunications》，文雯的研究始終圍著“讓光在微觀世界更聽話”打轉(zhuǎn)。在新加坡做博士后時(shí)，她就琢磨用易制備的材料做低閾值微納激光器，試著降低激光的“啟動(dòng)能耗”；去年9月加入中國科大蘇州高研院，她“控光”的研究視野更加開闊：在LED表面引入光學(xué)結(jié)構(gòu)，減少光的損耗；在半導(dǎo)體芯片中實(shí)現(xiàn)光電“協(xié)同奔跑”，讓光負(fù)責(zé)快節(jié)奏的信號(hào)傳輸、電負(fù)責(zé)精準(zhǔn)的計(jì)算存儲(chǔ)，打破現(xiàn)有電子芯片“發(fā)熱快、速度慢”的瓶頸……
先做出能精準(zhǔn)控制光的納米級(jí)小零件，再搞懂光和這些材料怎么默契配合，最后把這些成果變成光電器件，成為“讓屏幕更亮、芯片更節(jié)能、激光器更小巧”的實(shí)用技術(shù)——當(dāng)前，文雯正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一步步把研究路徑走扎實(shí)。“納米尺度下，光會(huì)表現(xiàn)出與宏觀世界完全不同的特性，這也是全球科研團(tuán)隊(duì)爭(zhēng)奪的核心領(lǐng)域。我們背靠中國科大的科研家底和蘇州的產(chǎn)業(yè)全鏈條優(yōu)勢(shì)，希望能在基礎(chǔ)研究上實(shí)現(xiàn)突破，進(jìn)而推動(dòng)成果加速落地。”文雯說。
“設(shè)備近在咫尺、大咖觸手可及”
如果說中國科大在量子光學(xué)、材料物理領(lǐng)域的積累，為團(tuán)隊(duì)解析光與納米材料的相互作用提供了理論支撐；那么，蘇州工業(yè)園區(qū)集聚的科創(chuàng)資源，則讓文雯的“控光”研究省去了“四處奔波求設(shè)備”的麻煩，讓“過個(gè)馬路就能做實(shí)驗(yàn)”成為現(xiàn)實(shí)。這種理論和資源的雙重加持，讓“控光”研究每一步都走得更穩(wěn)、更快，也為中國科大蘇州高研院在全球納米光電子研究領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中獲得了強(qiáng)大的底氣。
表面布滿納米級(jí)的“小坑”陣列——比頭發(fā)絲細(xì)數(shù)百倍，用電子顯微鏡才能看清紋路。在文雯的實(shí)驗(yàn)室里，一個(gè)納米級(jí)的器件，在電子顯微鏡下可以看得一清二楚。“在博士后研究階段，想刻這樣的結(jié)構(gòu)，得自己守著設(shè)備磨幾個(gè)月，還常因?yàn)榫炔粔蛐枰獊砘刈龊脦状危F(xiàn)在情況完全不一樣。”文雯拿起樣品說。“不一樣”的關(guān)鍵在于，獨(dú)墅湖畔集結(jié)著中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等一批高校院所。而蘇州納米所更擁有目前全球規(guī)模最大、性能最優(yōu)、共享程度最高的真空互聯(lián)綜合實(shí)驗(yàn)裝置——納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）。“最近我的幾個(gè)學(xué)生就守在蘇州納米所的實(shí)驗(yàn)操作間，設(shè)計(jì)好的圖紙送過去，高精度設(shè)備很快就能刻出‘陣列’，納米級(jí)別精度控制都穩(wěn)得很，效率非常高。”文雯說。
近年來，中國科大蘇州高研院不斷與周邊高校互動(dòng)，并聚焦仿生界面材料科學(xué)建立了相關(guān)科研平臺(tái)。對(duì)文雯團(tuán)隊(duì)來說，這相當(dāng)于“控光”研究多了個(gè)頂配搭檔——和界面物理、材料化學(xué)領(lǐng)域的專家交流，往往能快速找到突破思路；帶著樣品走過馬路去測(cè)試，不久就能拿到數(shù)據(jù)，短短幾天就能優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。“設(shè)備近在咫尺、大咖觸手可及”的便利，不僅能第一時(shí)間驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)的各種設(shè)想，還能及時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)路線：一旦數(shù)據(jù)不符合預(yù)期，很快就能和專家們探討調(diào)整方案，重新設(shè)計(jì)處理工藝，實(shí)現(xiàn)“設(shè)想—驗(yàn)證—優(yōu)化”的完整循環(huán)。
高效支撐讓學(xué)者“敢想更敢做”
在中國科大蘇州高研院，跨學(xué)科協(xié)作不是耗時(shí)費(fèi)力的協(xié)調(diào)，而是觸手可及的資源整合。在這里，不同學(xué)科背景的科研團(tuán)隊(duì)就像住在同一條“科研街區(qū)”，交叉的背景、日常的互動(dòng)讓他們碰撞出火花。在學(xué)校的支持下，這些火花能從偶然的靈感一步步成長為扎實(shí)的科研成果。
“我回國前，就規(guī)劃好要購買設(shè)備、組建團(tuán)隊(duì)。把需求提交上去后，學(xué)校很快就幫我落實(shí)到位，速度超乎想象。”文雯說。而加盟中國科大蘇州高研院不久后的一件小事，更是讓她慶幸回國的選擇。
納米級(jí)氧化物薄膜，是構(gòu)建“納米結(jié)構(gòu)控光”技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。而這類關(guān)鍵材料的高效、精準(zhǔn)制備，離不開全自動(dòng)光學(xué)薄膜制備儀器的技術(shù)支撐。走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，全自動(dòng)光學(xué)薄膜制備儀器透明的反應(yīng)腔里，納米級(jí)的氧化物薄膜正一層層精準(zhǔn)沉積。“以前在國外做光學(xué)薄膜，每蒸一層氧化物都像守著鍋等粥熟。”文雯說，沒有全自動(dòng)設(shè)備時(shí)，每次沉積一層薄膜，設(shè)備都會(huì)因反應(yīng)放熱導(dǎo)致腔體內(nèi)溫度波動(dòng)，必須有人守在旁邊，等溫度降到精準(zhǔn)范圍才能開始做下一層。中途稍不注意溫度控制，整批樣品就可能因精度不達(dá)標(biāo)而報(bào)廢。如今，學(xué)校為聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室采購了全自動(dòng)光學(xué)薄膜制備儀器。學(xué)生只需在電腦上輸入每層氧化物的厚度、沉積速率、溫度閾值等預(yù)設(shè)參數(shù)，全自動(dòng)儀器就會(huì)自己監(jiān)控反應(yīng)溫度，放熱時(shí)自動(dòng)開啟冷卻系統(tǒng)，溫度穩(wěn)定后再銜接下一層沉積，全程無需人工干預(yù)。“學(xué)校還幫我們把跨機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用減半，大大降低了前期研發(fā)成本。”文雯說。
當(dāng)研究者的每一份“敢想”，都能得到及時(shí)、有力的支撐，那“放手去做”不再是奢望，而是科研的日常。面向未來，文雯對(duì)團(tuán)隊(duì)的研究方向和自身發(fā)展也有了更清晰的規(guī)劃：將進(jìn)一步融合高性能光電納米材料與人工納米光子結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑高性能芯片上光子器件，力求在高速通信、高清顯示及光學(xué)傳感等領(lǐng)域形成具有原創(chuàng)性的核心技術(shù)突破。
