——记北京大学物理学院吕劲教授

本刊记者　李伟工

　　人类的科学起源于计算，最早的计算就是算数，它是“人类把自己从对大自然的恐惧中解救出来的第一个方法”。计算科学的严格定义是一个与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题相关的研究领域，计算材料学作为计算科学的一大分支，颇为古怪，它是一个高度交叉的学科——数学、物理、化学、生物、计算机……此领域的研究者需游走于各领域，汲取相关知识并融汇到一起，集各学科的知识于一身。北京大学的吕劲就是这一领域具代表性的人物之一。
　　1992年，吕劲考入北京大学物理系，师从著名物理学家章立源教授，开始了计算材料学的生涯。章立源教授以严格要求学生出名，培养了包括中科院院士、北京大学校长王恩哥在内的一批优秀的物理学家。在5年的研究生学习中，打下了坚实的基础。2001年，吕劲获得日本学术振兴会的资助，来到位于日本中部冈崎市的日本分子科学所，跟随享誉国际理论化学家界的永濑茂教授进行了两年博士后的研究，开始进入了计算材料学的前沿，实现了学术水平的第一次腾飞。2006年，吕劲应梅维宁教授邀请，在美国内布拉斯加大学做了一年的访问，对西方的科学研究精神有了进一步的了解，实现了学术水平的第二次腾飞。
　　计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。纳米材料领域，具有优异的物理性能的碳基纳米材料以及它们的类似物一直扮演着举足轻重的角色，它们是构造纳米电子器件，光电子器件和自旋电子器件的重要材料。从1985年零维的C60，到1991年一维的纳米碳管，再到2004年二维的石墨烯，每一次碳材料“家族”新成员的发现都会给材料研究带来巨大的冲击。石墨烯的发现还是第一次把二维材料展现在世人面前，由此开辟了一个全新的研究维度。
　　石墨烯虽然有极高的载流子迁移率，有可能在未来的电子器件中取代现在的硅。但遗憾的是，石墨烯本身没有能隙，不是理想的半导体材料，不能做高开关比的晶体管。因此打开石墨烯的能隙又不损失高的载流子迁移率成为石墨烯研究的最主要的课题之一。面对这一挑战，吕劲教授的课题组进行了创新性探索，其卓尔不群的研究成果受到了同行专家的广泛关注。
　　
利用三明治结构打开石墨烯能隙
　　
　　石墨烯是个复式晶格，由两个完全等价的子格子构成。打开石墨烯能隙的关键是要破坏石墨烯AB子格子的对称性。六角氮化硼片晶格尺寸与石墨烯基本匹配，但氮与硼的化学势不同，当这两种材料复合在一起，石墨烯的AB格子对称性将受到破坏。吕劲教授提出把单层石墨烯置于两个氮化硼片之间，由于增强了子格子的不等价性，可以打开石墨烯0.16eV的能隙。如果在BN/石墨烯/BN复合结构加上垂直电场，能隙可以进一步提高到0.34eV。由于BN是平坦的结构（常用的不规则的SiO2衬底会带来额外的散射，降低石墨烯的载流子迁移率），且与石墨烯是弱的范德瓦耳斯作用，石墨烯的狄拉克锥基本不受破坏，石墨烯的高迁移率在能隙打开后仍然可以维持。仅仅做能带计算是不够的。吕劲的课题组又进行了第一性原理的器件模拟。模拟显示基于此三明治结构的双门场效应管电流开关比相比纯单层石墨烯场效应管大8倍。相关工作2012年发表在Nature子刊 《NPG Asia Materials 4,e6;doi:10.1038/Am.2012.10》上。文章第一作者屈贺如歌是吕劲教授指导的博士生，已经收到麻省理工学院、牛津大学、剑桥大学、瑞士联邦理工等世界顶级名校合作培养博士的邀请。
　　
硅烯存在可调能隙
　　
　　硅烯是石墨烯的硅类似物，最近在实验上已经有了很大进展。比起石墨烯，硅烯与现在的半导体工艺可能更加容易切合。但硅烯走向电子器件应用面临与石墨烯同样的问题，即没有能隙。虽然平坦结构单层石墨烯在垂直电场作用下不能打开能隙，吕劲教授发现具有起皱结构的硅烯可以被垂直平面的电场打开能隙并且打开的能隙随电场强度线性增加，同时狄拉克锥结构基本不受破坏，高的载流子迁移率也能够保持。利用非平衡格林函数方法证明了硅烯制成的双门场效应管电流开关比是无电场时的8到50倍。该工作是国际第一次提出硅烯存在电场可调控的能隙，发表在材料领域的顶级杂志《Nano Letters 12，113（2012）》上。该文章发表后在国际上产生了强烈的反响，一年多来，已经被各种杂志引用了30次。
　　电场调节硅烯能隙的主要问题是在实验可达到的电场强度，打开的能隙太小（不超过0.1eV）。考虑单面吸附也可破坏硅烯的子格子的对称性，吕劲教授紧接着又提出一种新的打开硅烯能隙的方案，即利用吸附无损打开硅烯的能隙。计算表明在硅烯上单面吸附碱金属原子能够打开能隙。能隙的大小可以通过改变吸附浓度加以调节，最高可以达到0.5eV，同时可以保有硅烯高迁移率。通过对钠原子吸附的硅烯场效应管模型的量子输运模拟显示该器件的开关比可高达108，满足高表现逻辑器件的需要。相关工作最近发表在自然出版集团的新刊《Scientific Reports 2, 853；DOI：10.1038/srep00853 (2012)》上。 开发量子输运程序ATK的Quantum Wise公司在其网站上，给出了介绍石墨烯和硅烯能隙打开工作的手册，其中所引用的文献很大一部分出自吕劲课题组。
　　
石墨烯射频器件的表演极限探索
　　
　　较小的开关比阻碍了纯石墨烯场效应晶体管做逻辑器件，但不妨碍利用它的高载流子迁移率做射频器件（因为射频器件不需要大的开关比）。要取得高的射频器件截止频率，一般要把沟道做短，目前实验上石墨烯场效应管的沟道长度最小已做到40nm得到的射频器件的最大截止频率（射频器件性能表现的重要参数之一）为1太赫兹。但在极端的亚10纳米尺寸上截止频率是否会随沟道减小继续提高并不明确（例如GaAs在沟道短于20纳米时候，截止频率会变小）。吕劲教授课题组第一次进行了亚10纳米石墨烯晶体管的第一性原理模拟。发现它们的截止频率依然随沟道长度减小反比增大（即不受短沟道效应的影响），可高达几十太赫兹。如果此时利用六角硼氮片夹单层石墨烯或对双层石墨烯场施加电场打开石墨烯能隙，输出特性曲线会出现非常明显的电流饱和性质，这将大大提高石墨烯射频场效应管的电压赢得和最大震荡频率，同时太赫兹以上的截止频率依然能得到保持。相关工作发表在《Scientific Reports 3, 1314 (2013); doi:10.1038/srep01314》上。
　　比起三维的块材，一维的纳米管和纳米线，以及零维的团簇体系，二维原子晶体，是研究的最少的一个维度。以石墨烯为代表的二维原子晶体正成为计算材料研究的一个主要对象，国际竞争十分激烈，几乎到了白热化的地步。在石墨烯的研究上，中国科学家总体上落后了一步，但在硅烯的研究上，中国与国际先进水平大体同步。另外一个典型的二维原子晶体石墨炔还是中国科学家中科院化学所李玉良研究员最先合成的，而吕劲教授的课题组最先计算了石墨炔的精确的准粒子能带，得到了精确的能隙为1.1eV, 而先前的密度泛函理论算出的能隙只有0.5eV左右。然后他们又用多体理论计算了石墨炔的电子吸收谱，发现电子吸收主要是由激子决定的，理论结果得到了李玉良研究员实验上的支持，文章发表在《Physical Review B 84，075439 (2011)》上，已经被各种杂志引用了30次。
　　怀着“工作乃天职”的使命感，吕劲教授的课题组将继续在二维原子晶体的计算研究上不断开拓进取，追求卓越。
　　
专家简介
　　吕劲，1992年毕业于北京大学信息管理系，获学士学位，1997年毕业于北京大学物理系，获博士学位，现为北京大学物理学院凝聚态与材料物理研究所和人工微结构与介观物理实验室副教授、博士生导师。长期从事低维碳基功能纳米材料及其类似物的第一性原理计算研究。在纳米碳管的选择性吸附理论和石墨烯能隙的无损打开等领域做出了突出的贡献。2008年入选教育部新世纪人才，2009年获得北京大学钟盛标教育基金科研奖。发表SCI论文120多篇，在顶级刊物上有21篇，其中NPG Asia Materials 1篇, Scientific Reports 3篇，Nano Letters 2篇, Advanced Materials 2篇，Journal of the American Chemical Society 6篇，ACS Nano 1篇，Angewandte Chemie 1篇，Small 2篇，Physical Review letters 2篇，Chemistry of Materials 1篇。研究工作被《自然?亚洲材料》加以专题介绍。