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发布时间：2021-12-16
谢明昊
科学技术是第一生产力，而高端仪器设备作为探索前沿科学的工具，则是发展第一生产力的关键要素。据报道，我国超90%的高端仪器依赖进口，并在部分仪器购置上遭受严重垄断。2020年，美国出台芯片禁令，阻断几乎所有芯片代工厂为我国头部企业加工制造芯片，其背后所折射的问题便是我国在高端仪器设备研发中所遭受的巨大困境。
在2021年软科世界一流学科排名中，中国多所大学的仪器科学与技术学科名列前茅。但在世界科研仪器产业领域，全球前20强科研仪器生产商中，却没有一家中国企业。“中国做了这么多科研，却一直在用国外的仪器。”每当想到这种情况，都让北京航空航天大学青岛研究院（简称“北航青岛研究院”）微电子分院副院长张学莹倍感唏嘘。
工欲善其事，必先利其器。在张学莹看来，加强高端仪器设备的自主研发能力，是我国目前所面临的紧迫任务。多年来辗转北京、青岛从事微电子测试技术开发与设备研发、自旋电子器件设计等研究，张学莹在基础研发以及产业化一线扎根探索，为中国高端仪器设备的自主创新不断添砖加瓦，作出了一系列贡献。
中法多元教育，打下坚实科研根基
张学莹基础研究与产业应用并行的思想，与他在海内外的学习积累密不可分。
本科与研究生阶段，张学莹就读于北京航空航天大学中法工程师学院。在这里他不仅练就了良好的法语能力，还在通识教育的培养中，锻炼、打造了交叉学科思想。2014年，在顺利获得北京航空航天大学中法工程师学院工学硕士/法国通用工程师学位后，张学莹决心投身微电子领域，在北京航空航天大学师从赵巍胜教授攻读微电子学与固体电子学博士学位。
2015年9月—2017年4月，张学莹在国家留学基金委的资助下，前往法国巴黎萨克雷大学攻读物理学博士学位。在这所高校，他不仅进一步夯实了自己在自旋电子学领域的研究优势，还在导师的带领下增强了自己实验研究的严谨性以及动手能力。“在巴黎的这段研究经历和所受的实验方法训练，让我受益终生。”张学莹说。
北京航空航天大学作为一所工科特色院校，从成立之初发展到现在，始终瞄准国家的战略需求。在北京航空航天大学攻读博士学位期间，张学莹的博士课题偏向于自旋电子器件应用开发，为自旋电子芯片的工程应用进行产业化探索。而在法国留学期间，张学莹的研究课题则更偏向于自旋电子学的物理和实验测试。基础研究和应用开发的双重探索，让张学莹受益匪浅。经过近4年的学习和研究，张学莹分别完成了中国和法国两个独立的博士课题和学位论文，分别于2018年5月和6月顺利获得了法国巴黎萨克雷大学物理学博士学位和北京航空航天大学工学博士学位，其博士论文也被评为北航优秀博士学位论文。
落地青岛，创新微电子测试设备研发
北航青岛研究院于2016年5月28日正式成立，自成立以来紧紧围绕国家战略需求和青岛市经济社会发展需要，全力服务青岛市产业结构升级。在张学莹看来，青岛具有扎实的工业基础，但是随着现代信息革命浪潮来袭，其传统产业活力慢慢减弱，竞争力也逐渐降低。基于国家和地方对现代信息产业特别是微电子领域的需求，张学莹和研究团队将科研成果瞄准实用，以磁性微电子测试设备研发为切入点，在这里开启了一段产学研结合的科研创新之旅。
自古以来，“磁”就与人们的社会生活密不可分。早在两千年前，中国人就发明了世界上最早的磁性指南工具——司南。现如今我们所使用的智能手机中的指南针也是用磁性材料来指引方向的。目前，张学莹团队所致力的自旋电子芯片开发研究就是传统磁性材料和微电子结合的学科，其在航天领域以及便携式电子设备中都有着广泛的应用前景。
来到北航青岛研究院之后，张学莹就和团队积极投身公共建设类的项目研发中。在青岛市政府、崂山区政府以及歌尔集团的支持下，张学莹所在团队不断进行实践与创新，并成功建成了中国唯一一条具有全闭环研发能力的8英寸磁性微电子工艺测试公共平台。这一项目的建设完成弥补了我国磁性微电子工艺领域的多项空白，对青岛地方微电子产业发展产生了巨大的推动作用。
磁光测试是研发磁性芯片的一个重要测试手段，而企业想要进行磁性芯片的研发，就需要相关的磁光测试设备。但是，目前国内在磁光测试设备开发领域，几乎处于空白状态。为了打破这种困境，张学莹团队在北京航空航天大学、北航青岛研究院和相关企业的共同协作下建立了磁光测试实验室，以此为实验支撑平台，展开了一系列自主研发工作。
针对普通显微镜难以观察到芯片单元内部的磁性变化的现状，张学莹团队通过创新实践，研发了一款特种显微镜，这款显微镜便是中国首款商用磁光克尔显微镜，分辨率达到300nm。此前，磁光克尔显微镜只能依赖进口，单台售价高达200万元人民币。在此之后，张学莹和团队成员成功将自主研发的磁光克尔显微镜设备推向市场，并大幅降低了其售卖价格，不仅让更多科研单位用得起该设备，还消除了“卡脖子”隐患。目前，这款设备已经在清华大学、中国科学院物理所等顶尖科研机构装机使用。团队继续努力，在2021年夏天，又成功研发了中国首台产业级晶圆磁光测试仪，打破了美国科磊半导体公司在该领域的垄断，为我国磁性芯片量产提供了测试设备支撑，这项成果也标志着团队的产品迈向了微电子产业领域。
产业落地，培养实践型人才
科技是第一生产力，是促进国民经济发展的支撑动力。“但是科技的落地并不是一蹴而就的，从原理到设备再到真正的产业化，我们需要走的路还有很长。”张学莹说。为了能将自己的科研技术尽快与产业发展相协同，张学莹团队于2019年7月创立了致真精密仪器（青岛）有限公司，由张学莹担任执行董事/首席技术官，致力于通过公司的商业模式，完成研发设备的真正工程化。
“因为仪器行业涉及光、电、测控、软件等各学科，而单学科的科研人才并不能完成整个高端仪器设备的设计制造。”张学莹说。而这一学科特点，也决定了科研人才必须具有多学科的技术能力以及产业实践经验。在这一背景下，张学莹团队所倡导的产学研优势互补，也给人才培养注入了更多新鲜活力。很多学生在项目研发、讨论的过程中，懂得了如何将自己所学的知识融合到科研产业化的项目应用中，真正做到“学以致研、学以致用”。
张学莹团队始终秉承“尊重科学、精益求精”的精神，在取得系列成果的同时，也获得多项荣誉，包括青岛市“市长杯”创新创业大赛一等奖、“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛金奖等，所创立的企业也获得近千万元的市场投资。
展望未来，推动企业主导、高校和科研院所支撑的联合创新体，协同突破关键科研技术及高端仪器设备研发是大势所趋。在这一背景下，张学莹希望和研究团队能够在集成电路、高端仪器设备等领域继续深耕，将产业模式进一步做大做强，特别是将团队在磁光测试这一方向中的研究优势发挥到最大，在3年内在磁性微电子测试领域达到世界前列。而后，通过产学研结合的模式，张学莹还希望团队所研发的设备能够覆盖整个集成电路制造领域，为更多的芯片研发和生产单位提供服务。
虽然高端科学仪器自主研发路阻且长，但是张学莹及其研究团队的信念始终坚定。在由仪器制造大国迈向仪器制造强国的奋进之路中，他们愿做其中的铺路石，为我国的高端仪器研发奠定根基。
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