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发布时间：2015-11-17
——记西安近代化学研究所研究员冯昊
本刊记者 张 姝
冯昊是一个这样的人——选择合适的路，做擅长的事。
这是一个极靠谱的青年，认准了，就会坚持走下去。“科研是很寂寞的事。成功之后，鲜花和掌声都来了，但大多数时候没有这些。所以更重要的是在表面上不成功的时候怎么去做。”他说。
认准ALD，就全方位地去学习
2002年夏天，刚刚大学毕业的冯昊登上了飞往大洋彼岸的航班。他的目的地是美国伊利诺州的芝加哥市，美国西北大学就在那座城市的北边。他将在那里完成博士阶段的学习。
“我选择了纳米催化领域。”接受过北京大学化学系4年的系统学习后，冯昊对自己的方向有了新的把握。“催化”是一个传统的领域，而纳米科学是推动21世纪科学技术进步的支柱之一，纳米技术在催化领域的应用将使这个传统的领域绽放出崭新的光芒。就是在纳米催化领域的钻研过程中冯昊接触到了原子层沉积技术。
ALD在本质上属于一种薄膜制备技术。它能够以单原子层为单位操纵物质表面的组成和结构，是一种真正意义上的纳米技术。“这是人类目前能够达到的最高的薄膜厚度控制精度。”
与其他沉积技术不同，ALD技术最突出的特点是不挑基底材料的形貌结构。“一般沉积技术要求靶必须对着要沉积的源，才能做到局部均匀沉积。但ALD不管材料的表面有多复杂，都可以在所有的表面上形成均匀的镀层。”在行家眼里，原子层沉积技术以其三维均匀性和可作用于大面积表面的特质彰显着它的独特魅力，只要用它，就可以得到完整、均匀、无缺陷的薄膜。即使是在具有高比表面积和复杂孔道结构的粉体材料上，它也能使被沉积物质以纳米薄膜或粒子的形式均匀分布于材料的全部表面。
“原子层沉积技术还有一个特点，工作温度可以很低。相对于化学气相沉积技术，它对基底材料的损坏就很小。”潜台词是，借助该技术可以在各种材料表面直接引入所需的物理或化学性质，在很大程度上改造材料的表面性能，而不必担心影响材料本体的性能。“ALD技术可以用来处理对温度敏感的材料，包括西安近代化学研究所感兴趣的一些含能材料。”这自然是后话，但当时，冯昊的确是被ALD技术迷倒了。
“ALD能在原子层面上改变物质表面的组成和结构，非常适合用来合成一些严格遵循设计方案的纳米材料，对于催化研究领域这是一种革命性的方法。让我产生了非常浓厚的兴趣。”
他连续用了两个“非常”来强调。那时，ALD技术在催化领域的应用还鲜为人知，但是它最为经典的应用已经在微电子领域呈现。
摩尔定律说：集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
“发展到今天，电路集成度已经非常高了，器件尺度也已经非常小，再往下突破就很难。”冯昊以芯片制造工艺举例，在20纳米的尺度上去控制三维器件的化学组成和结构非常困难，可是对于ALD，20纳米对应的厚度差不多就是200个原子层，轻而易举就能实现。时至今日，关于摩尔定律的生命力到底有多长一直存在争议，冯昊相信，在原子层沉积技术的帮助下，摩尔定律还可以延续下去。
微电子、新能源、新材料、化工、环保、医疗……原子层沉积技术的应用前景十分广阔，用冯昊的话说，这是一个具有爆炸性发展潜力的技术，虽然目前在我国还没能广为人知，在未来的10?20年中很有可能会取得长足的进步并获得普遍应用。
5年的博士生涯并没有完全满足冯昊对原子层沉积技术的痴迷。博士毕业后，他没有和大多数同学一样选择去杜邦、美孚这样待遇优厚的跨国企业工作，而是走进了美国阿贡国家实验室，更全面、深入地学习ALD技术。“将来无论做什么，这都会是一个很好的储备。这个阶段也是我在美国收获最多的时候。”
回国做原创研究，路要一步步走
早在上世纪70年代，芬兰工程师Suntola提出了原子层沉积的概念和基本理论，基于这些原理制备的多晶荧光材料ZnS以及非晶Al2O3绝缘膜迅速被用于平板显示器制造工业。这是国际上最早出现的ALD技术。上世纪90年代中期，日本和美国在电子工业中引入ALD技术，市场上也开始出现商业化ALD设备。
“ALD的优势就是从那时候开始逐渐显现出来的。进入21世纪，ALD技术在国际上已经发展得相当成熟，可我国在2005年前后还不大了解这项技术。”冯昊说。
2011年，ALD技术在国内的发展速度依然滞后，而对这一技术的需求却在持续上升。经过几年的锤炼，冯昊已经初步具备了独立从事科学研究的能力。他决定回国。对一个年轻人来说，在更需要他的地方才更能够更好的发挥他的作用，他坚信回国能带来更大的事业发展空间。
其实，回国的原因也不是一个方面就能够简单概括的。“在发达国家每个人的基本生活品质很容易得到保证，但是外国人的事业上升空间远不如土生土长的本地人广阔，比如在申请研究经费、建立课题组等方面，很容易处于劣势。回国的话，大家都是一样的，不存在种族歧视。何况这些年，国家也通过各种人才引进计划，给我们提供了一些做事的基本条件。”
他最终选择了在“家门口”的西安近代化学研究所。出生于1979年的冯昊是家中独子，在他看来，既然回国，自然是回到最有归属感的地方，离父母越近越好。“况且，我回国是要做事的，一线城市生活成本太高，我不可能整天只想着怎么挣钱养家，要想静下心来做科研，还是要在一个生活压力不要太大的地方。”“研究所对人才引进工作也非常重视，在实验场地、启动经费、人员和仪器设备等方面都提供了很好的保障，为我们搭建了一个比较完善的事业平台。”
在西安近代化学研究所，冯昊开始组建ALD材料表面工程专业组，对于这个以军工技术研究为主的研究所来说，这是一个全新的领域。他的工作重点是基于ALD技术的纳米材料合成与表面修饰改性，具体涉及ALD技术在多相催化、含能材料、功能薄膜材料等领域的应用。他的理想是将ALD技术的潜力全面挖掘出来，为自己的祖国服务。
“我们国家没有参与ALD技术的发展过程，在很长一段时间内是空白的。近些年来，国家通过引进一些海外人才在短时间内迅速把基础研究水平提了上去，在某些研究方向上甚至可以与国际先进水平齐平。但是，对一项先进技术的全盘掌握是需要一定时间积累的，不能一蹴而就。我们一定要沉下心来好好打基础，把欠缺的技术能力补足。”
冯昊认为，对ALD技术的全盘掌握要通过装备制造、基础研究和应用开发三方面来呈现。“我们需要做热门的研究发表论文，但同时我们也需要做设备、做应用。”
因此，在项目组成立初期，他没有急于从国外购买ALD设备开展科研项目，而是致力于建立实验设备的自主研发能力。“做这件事，要花钱，不能发文章，也不能直接产生效益，表面看起来出力不讨好，但是非常重要。如果没有设备开发能力，做基础研究很容易受限于可获取的实验设备，无法采用一些新的方法；而应用研究往往针对的是特定的研究对象，对设备的结构、功能、生产能力都会有特殊要求，如果不具备设备开发能力很难实现。”
除了摆脱对国外技术的依赖以外，冯昊选择以设备开发作为开端，还因为这是训练团队全面掌握ALD技术理论精髓、培养自主创新能力的最佳途径。
进行ALD设备研发是一项复杂的工作，需要掌握化学、化工、真空机械、电路控制、计算机软件编写等方面的专业知识和技能。冯昊开始认认真真地打起“地基”，从组成ALD系统的每一个零配件到各个控制系统的集成，把设备的制造过程仔细梳理了一遍。他没有走简单复制国外设备的“捷径”，而是对设备的主体结构、控制软件等核心组成部分进行了重新设计，大量采用了国产零部件、电路元器件、阀门和仪表，不但大幅压缩了设备成本，同时使得实验系统的维修和改装变得简单易行，有效降低了技术门槛。经过将近一年的努力，冯昊和他的团队最终克服了重重困难，成功完成了ALD实验系统的研发任务。这台灌注了整个团队智慧和汗水的先进实验设备承载着这些年轻人的梦想，将带着他们在科学研究的广阔天地里开启属于他们自己的旅程。
冯昊的ALD技术版图
回国之初，冯昊最大的愿望就是把ALD技术在国内开展起来，并且结合国情，将它用到最需要的领域里去，形成自主创新的技术体系。经过几年的发展，冯昊的科研版图已经扩展至四个板块。
自主知识产权ALD系统研发已经成为团队的核心能力之一，也是团队坚持发展的研究方向。一次，看到女儿又在玩心爱的“乐高”，冯昊突然想到ALD系统其实也可以按照不同功能划分为几个模块，不同模块之间采用通用接口连接。这种设计方法拓展了设备的功能和适应性，为ALD反应系统定制提供了一种低成本方案。“因为不同领域对ALD设备的需求不同，我们采取了一种模块化的设计思想。”他举例道，“就像攒电脑一样，你想要什么样子的显卡和主板，可以自己去电子城买了然后装起来，组成最符合你需要的电脑。在ALD设备订制上也是一样。”按照这种模块化的设备设计思想，他又先后开发出几台结构和功能各不相同的ALD系统，分别用在团队各个主要研究方向上。
目前，冯昊正在带领团队重点攻克针对粉体材料批量化制备的ALD设备和相关技术。“ALD的传统工作对象是类似于晶体硅片这样的平面基底，对于粉体样品处理能力的不足是制约ALD技术在新能源、新材料这样的领域获得广泛应用的瓶颈。”“我们准备通过设计特殊的反应器和ALD反应方式使粉体床层在反应过程中处于一种不断运动的状态，充分暴露出颗粒的全部外表面，降低扩散阻力，用这种方法来提高对粉体材料的处理能力。”“这个装置一旦建成，将能够大大缩短实验室取得的研究成果与实际应用的距离。”
纳米催化算是冯昊的老本行。自从他第一天走进美国西北大学催化中心算起，在这个领域里冯昊已经耕耘了十几个年头。如今，拥有了ALD这项强大的表面工程技术手段，催化对于他变得更加得心应手。
对于催化剂制备而言，ALD是一种颠覆性的技术。它不再依赖溶解、浸渍、沉淀、过滤、洗涤、灼烧等繁杂的湿法化学工艺，所有的催化剂合成步骤都在高度自动化的仪器设备中完成。借助ALD技术手段，可以以任意催化剂载体为基底，修饰载体孔道结构、沉积特定的催化活性物种及助剂，并实现对催化剂尺寸和结构的灵活调控，从而提高催化剂的活性、选择性和稳定性。
在纳米催化领域，冯昊用他取得的一系列原创性成果不断刷新着ALD技术的应用版图：将ALD技术修饰的阳极氧化铝薄膜用作纳米催化反应器阵列，降低了选择性氧化反应中过度氧化副反应产物的生成；通过ALD技术分别合成单体和多聚体钒氧化物，研究了不同结构的氧化物对烷烃及其选择性氧化中间产物的催化作用，阐明了催化反应发生的过程机理；借助ALD技术合成了纳米和亚纳米钯催化剂及铂—钌双金属催化剂，在低温下实现了甲醇向氢气的高效转化；利用ALD氧化铝对钯纳米粒子进行包覆，形成一种具有优秀抗烧结性能的稳定催化结构；研究了ALD反应过程中钯纳米粒子在活性炭表面的形成和生长机理，探索了利用ALD技术进行真正的工业催化剂合成的可行性；利用ALD氧化锌对不同结构的分子筛进行改性，合成出分别适用于烷烃脱氢和芳香化反应的新型催化剂；利用ALD氧化钛对高比表面积二氧化硅纤维进行表面改造，制造出一种具有极高活性的光催化材料。
“To make things happen，是做催化的人的梦想。”他说，“具体指的就是按照设计好的结构把催化剂合成出来，实现预期的功能。而ALD就是可以把这个梦想变成现实的一种手段。”
在西安近代化学研究所，冯昊和他的团队还开创了ALD含能材料表面工程这一全新的研究方向。“开发先进的含能材料对我们国家的重要意义不言而喻。但是很多先进的含能材料在应用中都存在严重的问题，其中有些问题可以通过调整材料的表面性质得到改善。关键是不能在修改材料表面性质的时候把材料本体的能量密度也改变了。ALD能够达到很高的控制精度，借助它能够在几乎不影响材料能量密度的同时显著改变材料表面性质。”沿着这个思路，冯昊和他的研究团队大胆开创了ALD含能材料表面工程这一研究方向。经过一段时间的探索，他们初步证实了ALD技术在高性能纳米含能材料合成、含能材料能量输出结构控制、材料安全性、稳定性、工艺性提升等方面的重要用途。“目前这些工作主要还是处于基础研究层面，距离真正的应用还有很长的路要走。但是这些研究能够为一些制约新型含能材料应用的瓶颈问题提供一种全新的解决思路和方法。”
冯昊团队的另一项原创性研究是微通道反应器表面工程。在化工反应进行过程中，反应器、换热器等部件内壁会发生结焦，严重影响到热裂化、重整等反应的正常运行。这个问题对于一些微通道反应器尤为明显。“我们通过设计开发特殊的ALD反应设备和薄膜制备方法，将反应器内表面的金属组分蔽掉，做出一个新的惰性的表面来抑制积碳的生成。通过对薄膜组成和结构的精确调控，我们可以实现不改变基底金属材料的热传导和机械特性，但显著提高反应器运行寿命的目标。”这一研究成果已被应用于航天领域，并在一定程度上解决了长期困扰业界的技术难题。“我们的ALD技术具有其他手段无法比拟的优势，这是项目委托单位对我们技术能力的评价。除了在航天系统中应用外，这个技术在民用方面也有很大的推广空间。这也是我迄今为止最满意的一项科研成果。”
现在，冯昊的科研团队已经初具规模，团队骨干成员接近10人。他们与外界的合作也越来越多，一些高校、研究所和企业慕名前来，以科研合作或者联合培养研究生的方式学习ALD技术，把它用到自己感兴趣的研究中。“我们愿意向国内其他单位输出ALD技术，包括提供科研所需的基本设备和技术培训。”“ALD是一项适用性极广的技术，毕竟我们的精力和能力都有限，不可能挖掘出ALD的全部潜力。所以我希望有更多的人能够参与进来，一起把ALD技术在各个相关领域的基础研究和应用做起来，产出更多原创性的成果，为我们国家解决更多的问题。”
“坚持自己相信的事情”，是冯昊多年来的信条。“我相信ALD这种能够在原子尺度上精确控制物质组成和结构的先进技术一定可以帮助多个领域实现重大突破”。所以，在未知的科研旅途中，风险再大，他也能品尝出乐趣，即使失败，他也从不气馁。“在很多情况下成功只是靠运气，失败才是科研的常态。在研究进展不顺的时候顶住压力，坚持自己相信的事情，不断从失败中筛选出有用的信息，这个是干我们这一行必需具备的心理素质。”
居里夫人也说：“科学的探讨与研究，其本身就含有至美，其本身给人的愉快就是报酬”。看来，把探索真理的艰难过程当作一种至上的享受，是古今中外科学工作者能够共同分享的心路历程。
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