本刊记者　杜月娇

　　
　　见到杨玉超时，这位北大“新人”很忙，每天几乎都要工作十四五个小时，就连周末也不例外。乍被问到业余爱好，他有些茫然，为了让回国后的研究工作尽快步入正轨，似乎还没能来得及有“业余”。“有了的话，我再告诉你。”最终，他给了这样一个可爱的答案。
　　
跟着兴趣走
　　
　　“走上微纳电子之路没有什么特别的原因，就是在研究过程中兴趣的自然转移。”从本科到研究生，杨玉超原本的选择一直是材料学。用他的话说，虽然材料是器件的组成部分，但他开始的研究是比较偏基础的。转折点出现在他博士二年级那一年。
　　当时，杨玉超还在钻研氧化锌薄膜的结构性能调控，期间，完成了一个“非常粗糙、非常简单”的器件模型。结果在测量器件时得到了一些“奇怪”的现象，他不知道该怎么解释这些现象。“我想调研一下，然后发现那时国际上开始关注一种叫做阻变存储器（RRAM）的器件。”
　　2008年前后，阻变存储器还是个“小鲜肉”，即使到现在，它也是一个非常有“前途”的器件。“大家都知道，过去的50年里，计算机行业的发展速度沿循摩尔定律，非常快，但是近些年来，由于器件到小尺度后出现的各种物理和工艺上的限制，计算机行业发展遭遇了瓶颈，人们开始担心摩尔定律无法继续下去。其中一个重要的限制就是存储器。”杨玉超解释道，阻变存储器，又称忆阻器，是延续摩尔定律生命力的“法宝”。国际大型半导体制造商如惠普、三星、美光等都把它放在战略高度。
　　杨玉超就这么被RRAM器件吸引了。那时，他所在的清华大学的实验室尚未开展这方面的研究，他需要迅速学习大量的新知识，摸索RRAM的制作工艺，设计合适的测试方法。可就算再难，他也甘之如饴。2009年，杨玉超在Nano Letters上发表了他个人在忆阻器领域的第一篇论文。文章里报道了杨玉超采用透射电子显微镜（TEM）手段直接观察到的器件在阻变过程中形成的纳米尺度导电细丝，并且他还进一步通过能谱分析和变温电输运等测量方法证明了该导电细丝的组成为金属态的银原子，从而从实验上直接证实了RRAM器件实现存储功能的金属导电细丝机制。文章发表后不久就被《自然》出版集团旗下的杂志作为科研亮点报道，后又获得2010年中国真空学会博士优秀论文奖。惠普公司在随后发表于《先进材料》上的文章中高度评价这个中国年轻人的工作为领域内的“重要进展”。迄今为止，这项工作共计被SCI他引354次，并入选ESI高被引论文。
　　那时的他，以学生身份成为1项国家自然科学二等奖和1项教育部自然科学一等奖的骨干获奖者，还主持了1项教育部“博士生访学计划”同步辐射研究生创新基金项目。那时的他，是材料系年年获得奖学金的优秀研究生，是清华大学的学术新秀，却依然向往着最前沿的研究。2010年，他博士四年级未完，就开始联系世界上在RRAM领域几家著名的实验室，为翌年毕业后出国留学做准备。幸运的是，邮件发出去后不久，美国密歇根大学安娜堡分校电子工程与计算机系的实验室就给了他回复。“邮件说晚上给我打电话，讨论一下各种选项。我当时还不太理解，后来电话沟通以后才知道对方教授有两个建议的方案，一是马上过去开始研究，等正式毕业答辩时再回来，他们会承担路费；二是等毕业以后再过去。”
　　密歇根方面希望他能选择前者，因为密歇根大学的实验室正急于在RRAM器件机制方面取得突破，而杨玉超的工作令他们极感兴趣。最终杨玉超提前博士毕业开启了5年的留学生涯。
　　
要做就要做得透彻
　　
　　杨玉超在清华的工作已经直接观察到了RRAM器件中的纳米尺度导电细丝，但是具体到器件内含的动力学机制，他认为理解得还不够透彻。“只有清楚地了解现象背后蕴含的科学原理，才能更有针对性地优化性能。这对器件研发至关重要。”杨玉超说。
　　在之前的工作中，杨玉超对导电细丝在RRAM中的关键作用有了一定的认知，但是，“机制”两个字背后，包含着导电细丝生长的诸多动力学因素，如驱动力、形核过程、生长方向、几何形貌等。尤其当器件只有十几二十纳米时，导电细丝的尺度甚至只有几个纳米。“一根头发丝是几十微米，导电细丝尺度只有头发丝的万分之一。在这样一个微小尺度上去原位地观测导电细丝的动态工作过程，对实验造成了极高的难度，需要一个巧妙的实验设计思路，并且坚持不懈做下去才能找出‘真相’。”
　　杨玉超的“设计”，是将基于氧化物和非晶硅的RRAM器件放在一个厚度仅为15纳米、直径3毫米的氮化硅基片上。“基片上有小的观察窗口，厚度只有15纳米，要想看清样品里面发生的原子尺度的结构变化，就必须利用电子束穿透样品。”该方案极具创造性，既能满足电学测量需求，又可以完成对导电细丝的TEM观察，而且不需要经过破坏性的样品制备过程，可以最大程度地保持器件真实的工作状态。当然了，完成这项工作最重要的还要取决于实验者的“手艺”。“在15纳米基片上做器件，需要经过很多步的微加工工艺，任何一个步骤出现失误都可能轻而易举地让之前所有努力付之东流。”杨玉超感慨着，仿佛又回到了那段日子。基片太薄，太容易损坏，更困难的是基片薄到一定程度就会失去刚性，变形起皱。等到器件下一步工艺时再对这样的基片进行电子束曝光，把不同层图形之间对准，就更难了。
　　“比一般的镊子尖儿大不了太多。”杨玉超解释“直径3毫米”的概念。那么多难题在一个“镊子尖儿”上操作，问题层出不穷。每次发现问题之后，他都要重新找一个思路去解决，经常在实验室熬到凌晨四五点钟。就这么披星戴月过关斩将地做了大约1年，通过利用TEM观察比较导电细丝的动态变化，终于切切实实地观察到了两种不同的导电细丝生长动力学模式，扩充了传统固体电化学理论对于导电细丝生长动力学的认识。“离子迁移率是导电细丝生长方向的决定性因素”，结论出来，杨玉超很兴奋。保险起见，他又通过原位透射电镜实时记录了电阻转变过程中导电细丝生长的动力学过程，与之前的观测并无二致。
　　这是他在美国的第一项具有“国际首次”性质的工作。2012年，Nature Communications首先报道了这一工作，随后，Nature Nanotechnology的综述文章中赞扬该工作“extremely valuable（极有价值）”。该工作同样也入选ESI高被引论文，短短几年中，仅SCI引用就达到了192次。
　　历尽波折的成果，给了杨玉超一种难以言喻的满足感。但没多久，这个爱思考的男人又开始转动脑筋了。“导电细丝并不是尺度最小的基本单元，细丝里面还有更小的金属颗粒排列着。”要了解导电细丝的动力学过程就需要从更小的尺度上理解金属颗粒是怎样运动的。他觉得很奇怪：颗粒在液体和气体中能够移动，是因为液体和气体里有空间，颗粒周围的阻力没有那么大。可是固体是一个很致密的材料，怎么可能“允许”颗粒自由移动？然而，原位电镜不会骗人，他的确看到了这个超乎想象的现象，而且不管是RRAM器件中普遍采用的银、铜等活性金属，还是包括铂在内的传统意义上的惰性金属，在受电场驱动时竟然都能在固体中发生场致迁移。通过更进一步的深入研究他恍然大悟：原来颗粒并不是整体移动的，而是通过电化学氧化还原反应经历了金属原子氧化成为离子、单个离子在电场作用下迁移、到达新位置重新还原成为原子的一系列动力学过程。
　　“这是一种普遍行为！”杨玉超的眼睛亮了。在进一步的研究中，他从根本上解释了迄今为止实验中观察到的所有不同导电细丝生长模式，从而在同一理论框架内完整地阐述了金属导电细丝机制。2014年，这项工作再一次通过Nature Communications广为人知，并迅速地被美国自然科学基金官方网站、BBC News、ScienceDaily、Phys.org、Yahoo News等20余家网站相继报道，被国内外同行认为对发展基于纳离子学的各类新型信息、能源器件等具有重大意义。
　　
写满创造性的“科研狂人”
　　
　　“More Moore，More Than Moore”，看上去像绕口令，可杨玉超说这就是微纳电子领域未来的两个发展趋势。
　　“Moore”指的是摩尔定律中的摩尔。所谓“More Moore”，就是要将摩尔定律支配下的计算机和半导体事业做到更极致。“这些年，晶体管从40纳米级发展到28纳米、14纳米，直到现在的7纳米。哪怕每次只能前进小一点点，也要把这‘一点点’做出来。”而“More Than Moore”则意味着完全换一条路走，“比摩尔定律更高级别”，他透露，这与类脑计算有关。
　　传统计算机中，处理器和存储器是分离的。“每次处理数据，都要从存储器中读取信息，处理完之后再存回去。”在杨玉超看来，这是一种非常低效的方式，却被运用了几十年。“计算机看似强大，但是人脑能轻而易举实现的东西，计算机往往实现不了。大脑才是计算功能最强的硬件。而现在要用忆阻器去实现一种新的计算方式，它可以将数据处理器和存储器完美地融合在一起。这就是类脑计算。”
　　说起来，这也是一种模拟大脑的仿生信息处理方式，已经成为忆阻器领域中新的研究热点。近一两年，欧盟、美国、中国等都相继推出了不同的“脑计划”，而杨玉超专注多年的忆阻器就是其中最关键的硬件。“对我来说这是一个非常振奋人心的领域。”在脑计划席卷全球的声势下，他看到的都是机遇，不仅是个人科研生涯，更关系到一个国家未来的竞争力。
　　“在国外时，我们对国内极为关注，尤其国内的科研事业发展日新月异。很多人都迫不及待想要寻找机会回国，真正参与进来。”杨玉超也一样，他向往这种家、国双向的归属感，希望能够在中国实现这些新的想法，做出一些事情。
　　采访中，他多次提到类脑计算。这也是他计划内的主干方向。要真正实现类脑计算，硬件研发是重点。忆阻器的性能达到什么程度才能满足神经形态器件的要求，以及怎样把众多的器件单元有机地整合在一起实现人工神经网络的功能是类脑计算研究必须解决的关键问题。“最近想的比较多，产生了一些可行方案，正在实施。”他说。
　　实际上，这也并不是他第一次涉足器件研发。在美国时，他就开发了以双层氧化钽薄膜为存储介质的RRAM，通过两层氧化钽薄膜中氧空位浓度的调控在单个RRAM器件中实现了互补型电阻转变。采用氧化物异质结取代通常情况下的单层存储介质作为RRAM的存储材料，也是他的创意，借此，他一举解决了良好的疲劳特性和非线性低阻态不可兼得的问题。数次尝试后，他开始向更新的二维材料出手了，这一次，他看准的是材料界的新宠石墨烯。让石墨烯代替传统金属作为RRAM的电极材料会怎样？他发表在2014年《先进材料》上的一篇文章说出了答案：利用石墨烯电极在弱氧化环境中钝化之后的阈值转变特性成功地在该类器件中获得了非线性低阻态，从而将选择器件的开关特性整合到了RRAM电极材料中，提高了整体的集成度。《先进材料》审稿人认为，这一做法非常具有“创造性”。
　　对杨玉超来说，研究器件是必然的，因为深刻的机制研究必然会走向应用。未来的工作中，他也会在钻研基于氧化物的忆阻器工作原理基础上，把基于忆阻器的神经形态器件和类脑硬件做好。至于做到什么程度，他只说了四个字“精益求精”。
　　不管是忆阻器，还是类脑计算，“研龄”都还不大，“很多人可能不知道怎么去做，这就需要交流合作，才能真正深入下去。”他喜欢与国内外学术界交流，也希望能将自己多年来积累的经验和教训传递给自己的学生们，让他们少走弯路。“我非常鼓励他们来跟我讨论。”他告诉学生，一定要对科研有好奇心，要喜欢想，喜欢更深入地反复揣摩那些问题，才能导致更新的发现。更重要的是，要有科研热情。
　　“你要对科研产生激动的感觉，认为解决问题非常有意思，才会有不顾一切的自我驱动力，愿意全身心投入进去。”不经意之中，他描画出了自己在科研中的形象。正如他对“前沿”的定义，就是“现有的东西虽然已经很好，但还可以更好，永远在挑战一个新的极限”，这位“科研狂人”胸怀中实在是澎湃着一颗跃跃欲试的心。