——记西安交通大学教授、博士生导师牛刚

谢明昊

自摩尔定律诞生后的半个多世纪里，半导体行业一直按照戈登·摩尔的预测高速发展。然而，随着硅芯片已逼近物理成本和经济成本上的极限，芯片工艺制程发展减缓，摩尔定律面临失效危机。如何抓住后摩尔时代的发展机遇，在半导体芯片产业占据优势地位，成为各国苦思的问题。

后摩尔时代，无论是继续进行芯片微缩并降低能耗，还是在硅基板上集成更多的功能，都面临着材料和设计方面的困难。来自西安交通大学的教授、博士生导师牛刚，多年来所致力的正是“后摩尔”集成电路功能薄膜和纳米器件的研究，在绿色环保的无铅介电、压（铁）电氧化物薄膜在半导体基板上的异质外延和人工突触器件等方面做出了一系列创新性研究。

学以致用，产学研联动

中国西部科技创新港电子信息科学研究院是西安交通大学在创新港成立的25个研究院之一，铁性材料与集成器件创新研究所是研究院下设的众多研究所之一，牛刚是研究所副所长之一。“创新港建立后，我开始在学校新旧校区两头跑。在创新港带领研究生做科研，在兴庆校区给本科生上课。”

“半导体物理”、“电子显微导论”和“半导体器件制备工艺与应用”是牛刚回国后教授的3门全英文课程，深受学生好评。其中本科生课程“半导体物理”全英文版已经在“学堂在线”上线。早在2015年，西安交通大学就首倡发起丝绸之路大学联盟，联盟现今成员已经包括38个国家和地区的158所高校。牛刚的课程正是针对这一联盟。“扎根西部，贡献‘一带一路’”，是牛刚作为西安交大人的独特发展规划。

“个人的发展肯定要与学校的发展紧密结合。中国西部科技创新港是学校给科研人员搭建的产学研平台，我的科研追求也是产学研联动，实现成果转化。”牛刚补充解释道。事实上，学以致用的心愿从牛刚上学时期就已经产生。

2000年，牛刚因成绩优异被保送西安交通大学，并选择了应用领域广泛的电子科学与技术专业。接连读完了本、硕后，他怀揣科研梦，前往法国里昂中央理工大学电子电气与自动化专业攻读博士学位。2010年博士毕业后，牛刚在法国国家科学院里昂纳米科技中心（CNRS-INL）又做了1年的博士后研究。在此期间，凭借过硬的学术水平和研究能力，他取得了德国“洪堡基金会”的资助，以洪堡学者的身份前往德国莱布尼茨高性能微电子所（IHP）做研究。2014年，牛刚便成为项目组组长，开始独立做课题。

正当在海外的科研工作干得风生水起时，牛刚却产生了回国的想法。“我是做信息器件相关研究的，属于‘卡脖子’技术，我觉得还是应该为祖国做这个研究。”回国后，牛刚入选陕西省特聘专家和西安交大青年拔尖人才计划。基于忆阻器的人工突触器件、异质外延和集成压（铁）电薄膜与器件是牛刚回国后的3个主要研究方向。未来信息社会需要什么，就去研究什么，从需求和应用中找寻课题是牛刚始终坚持的一个重要科研思路。

“我的研究成果需要利用集成器件优化，进而在产业线进行最终检验，在高校实验室中进行基础材料研究和原理性验证。所以我们广泛和科研院所乃至行业内的相关企业进行合作，建立了多个产学研基地。它们分布在南京、烟台、长沙等地。其中，与中国科学院（以下简称“中科院”）微电子研究所和上海微系统研究所合作，进行集成器件研究；与企业联动，进行新产品开发；将研究生送到中科院和企业，校企联合培养。”在牛刚看来，只有培养出更多科研应用型人才，才能真正推动我国信息器件产业的发展。

牛刚的工作方针十分明确。一手主抓与研究所和企业的合作，从应用端开发课题，以实现成果转化为目标；另一手主抓与大科学装置的合作，研究更深层次的前沿基础物理问题。在后一方面，课题组的合作伙伴是中科院苏州纳米所大真空互联装置和上海同步辐射光源。“在国外做基础科研时，我们就立足于实验室的一些基本研究方法，然后再扩展到大科学装置的一些课题的方法。”利用大真空互联，可以深入挖掘器件的界面、表面等特性，以及认识其运转机制；利用同步辐射光源，可以从原子尺度上原位观察信息器件中材料的特性和变化。具体而微的工作方针，也让牛刚在工作当中走的每一步都异常踏实。

如今，发挥高校优势，立足基础研究，面向器件应用，利用同步辐射中心等大科学装置开展先进材料研究，同时与中国科学院微电子研究所和微系统研究所及相关企业紧密合作，为器件集成提供支持，加强产学研合作，已经成为牛刚课题组的鲜明特色。

近年来，基于此特色，牛刚带领课题组围绕阻变随机存储器（RRAM）及相变随机存储器（PCRAM）两大主流非易失性存储技术展开人工突触器件相关研究，并取得了一系列创新性成果，频频在《电子与电器国际工程师协会·电子器件快报》（IEEE EDL）、《美国化学学会·应用材料与界面》（ACS AMI）等期刊发表高水平论文。针对多电导调制的电子突触器件，课题组重新对材料和器件进行设计和优化，尤其是界面和掺杂调控。课题组还通过材料掺杂与编程脉冲相结合的方法实现高可靠突触模拟。这些成果对于实现高性能人工突触器件乃至神经启发的人工智能芯片具有重要参考价值，部分已经转化至企业。

国际合作，产出前沿性成果

“进行高水平的科学研究，还得坚持走国际化道路。”在海外多年，牛刚早已具备了开放的国际化视野和海外学界人脉和资源。目前，牛刚课题组成员十余人，打造复合型国际化课题组是他的目标。“我之前引进了一名印度籍的博士后研究员，他来到课题组后出产的成果已经入选了我们学校电子学科博士后站点的代表性成果。课题组还有一名来自美国的博士生，来访并联合培养了1年。对于国内的好苗子，依托于学校和电子学科的国际化平台与支持，我每年都会提供他们参与国际会议的机会。”

值得一提的是，自2020年起，以铁电材料与信息器件研究为抓手，牛刚所在的电子学院与德国莱布尼茨晶体生长研究所（IKZ）签订了战略合作协议，开始每年互派人员交流访问。借此，电子学科还获批了国家留学基金委的创新型高端国际联合培养项目。关于高质量无铅压电薄膜与硅的异质集成的研究成果就是在这期间产出的。

以钛酸钡和钛酸铋钠等为代表的环境友好的无铅压电氧化物薄膜是绿色“物联网”急需的信息功能器件材料，其功能性以单晶形态为最佳。但是，要将压电氧化物薄膜与硅基板集成，挑战极大。牛刚坦言，依托国际化合作，这一研究取得了更快的发展。

课题组利用相界调控、氧分压控制和缓冲层等调控方法，成功在半导体衬底上实现了高质量无铅压（铁）电薄膜并实现了铁电存储器和超声换能器等原型器件，证明了钛酸铋钠基压电薄膜在换能器、传感器中有良好的应用前景；课题组还结合二维材料石墨烯，利用远程外延实现功能氧化物薄膜的剥离和转移，在不同衬底上实现材料转移，在柔性器件应用中的优势尤为突出；而二硫化钼-铁电薄膜混合型器件则能够实现负电容效应低功耗晶体管和高灵敏宽带光电探测器。相关成果已经在《自然·通讯》（Nature Communications）、《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）等期刊发表多篇论文，对于异质外延、铁电物理等基础研究及发展物联网等新型技术均具有重要意义。

面向未来低功耗传感器件和柔性器件，研究环境友好的无铅压电薄膜，进而将二维材料与铁电功能材料结合起来，研究新材料、新物理和新器件；立足自身优势，积极开展国际合作，与德国、法国、西班牙等多个课题组紧密互动，产出国际前沿的先进成果。这是牛刚课题组的又一大科研特色。

未来，牛刚希望能将大学研究与社会需求深度融合，勇于承担重大课题，在科研创新中去培养人才；带领团队，在后摩尔时代大展身手，助力祖国信息器件和芯片产业突出困锁。

（责编：王芳）