——记华南师范大学先进材料研究所研究员高兴森
本刊记者  徐芳芳    

　　 他走过很多地方的桥，看过很多地方的云，感受过真正的世界一流，却还是选择回来，完成一个属于自己的梦想。
　　 他，就是华南师范大学先进材料研究所研究员高兴森。他时刻准备着，想要追求最好的量子信息存储材料研究。

找准转型期的梦想

　　 上世纪60年代，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出了著名的“摩尔定律”：“集成电路上可容纳的晶体管数量每隔18个月就会翻一番”。
　　 “如果放在存储器上说的话，就是每隔一到两年，同样面积的可存储容量翻倍，或者说同样的钱就能买到更大容量的硬盘或动态存储。至今大家还在坚持这个规律，但是摩尔定律的前景并不乐观。依靠现有的材料技术，5到10年后可能就会出现摩尔极限。”高兴森介绍说。“万一到了这种地步，就应该有新的技术来代替旧技术。”
　　 高兴森认为，面对日趋迫近的摩尔极限问题，量子信息材料也许会成为解决方案。目前，高速、低耗能、高密度化，已经成为信息技术发展的总趋势。新一代的存储材料技术，如铁电存储，阻变存储，以及磁存储方面的材料技术，以及发展比当前闪存更快、更耐疲劳的材料，开发多功能磁电光集成互控的材料也成为信息材料热点。多年来，高兴森在探索先进存储材料领域做了很多努力，多铁性材料就是他瞄准的一个目标。
　　 作为目前信息存储材料的前沿热点，多铁性材料是个跨领域交叉性新兴学科。由于磁电多铁材料可以使磁场和电场交叉对铁电序和自旋序施加调控，不仅可以引起一系列电子-自旋关联的新颖机制，还能挖掘出电写磁读器件、多态存储、多铁性内存、低能耗逻辑电路等方面的潜在应用，有望带来高密度信息技术的革命。
　　 有优势自然也有不足，多铁性材料的超低工作温度和较弱磁电耦合就是阻碍其进一步实用化的瓶颈。尽管如此，高兴森依然觉得有希望能从中获得新型的电磁互控的存储或传感器。“我国在这个领域的某些方向上与国际水平同步，具有自己的研究特色。如果能进一步加强相关学者之间的密切交流与合作，整合出一支具有创新精神的研究队伍，取长补短，集成创新，使我国在该领域的基础研究、新材料研发、技术应用方面取得新的突破，将是一件十分有意义的事情。”
　　 尽管想法由来已久，当时的高兴森却没想到，有一天能实践这个梦想。

接过“画饼”来“做饼”

　　 “在德国的时候，我就有回国的想法。其实在国外许多学者都有回国的愿望，毕竟在国外做得再好也是为别人打工，回来才有主人翁的感觉，但是还不知道去哪里。”高兴森说，“这些年，我去过的地方很多，感受到了本领域内世界顶尖的研究机构究竟是什么样子的。他们拥有一流的实验体系，公共平台非常好，很多XRD，扫描电镜，透射电镜等仪器都可以让学生自己操作。同时，还拥有一流的研究及服务人员，在软硬件的配合上十分契合。”
　　 2009年底，华南师范大学表示，可以提供一个建立新平台的机会让他满足研究愿望。当时，华南师范大学引进了两名国际顶尖的兼职学者——“千人计划”任志锋教授和长江学者刘俊明教授，正雄心勃勃打算组建世界顶尖材料学研究平台。而广东省政府也正为地方科技升级推出“引进创新团队计划”和“领军人才计划”，提供了很好的发展机会。
　　 “能亲身参与创建国际一流团队的机会，这一辈子可能也可能只有一次。”看上去，华南师范大学似乎是画了一个宏伟的“饼”，却令他心动了。“在信息材料领域，我国的清华、南大、科大、中科院等都有出色工作，正在跟世界同台竞争，但距离工业化还很远。而我们主要集中在宏观尺度上，在材料制备方面和宏观表征做得不错，但在微观尺度方向上还有待进一步发展，这恰恰是信息材料走向集成器件应用的必经之路。”
　　 从看到“画饼”，到回来“做饼”，高兴森要做的还有很多。
　　 为了支持先进材料研究所的创办，华南师范大学给予了很大的支持——足够多的启动资金和足够大的建设空间,并且有顶尖的教授作指导。尽管如此，作为先进材料研究所的第一位科研人员，面对空荡荡的一层楼，高兴森依然有些茫然。经过方案讨论，他开始了“监工”生涯。
　　 “实验室的整体规划、装修风格、仪器采购，甚至椅子凳子怎么放进去，电线怎么布局……很多很多事情要去忙。”采购仪器时，他要谈判要采买；办理各环节手续时，他要准备材料要跑腿；平台装修时，他要设计要操心零星琐事；平台设施建好后，他还要留意制定规章制度等。两三年的建设期，从一个人到满室志同道合者，他眼看着一片空地如何变成生机勃勃的实验室，并成为教育部长江学者创新团队与广东省重点实验室的核心团队，他本人也被推举为省重点实验室的副主任。现在，研究所已经分为两个研究方向：光伏太阳能和量子信息材料。高兴森所主管的自然是后者。
　　 “团队里有不少海外引进的青年才俊。”一个年轻的团队，一群风华正茂的研究者，前方等待他们的将是无尽的机遇和挑战。而他们的作为也将在时间的长河中得到检验。

踏实准备，迎接机遇

　　 “量子信息存储产业非常大，前面的技术基本上都掌握在海外，那些有限的公司垄断着技术和专利，阻挡着后来者进入。但由于存在摩尔极限这个挑战，整个产业都面临着转型。从这个角度来说，将来很可能会出现知识产权垄断失效局面。到时候，群雄并起，谁准备得更好就更容易进去。我国的相关基础研究本来就在国际上有一定的影响力，如今，量子调控更是被列入中长期发展规划。希望我们团队也能在这样的局面下分一勺羹，也希望能为我们国家在这个产业上的兴起贡献力量。”
　　 高兴森并非说空话之人。
　　 细论起来，他的研究早在多铁性材料热潮出现之前就开始了。1996年，他师从刘治国教授于南京大学攻读硕士学位。彼时，刘教授敏锐地觉察到多铁性材料将是未来研究的热点，为他点明了方向。同时，在另一位导师刘俊明教授的指导下，他也开始进行蒙特卡罗计算模拟。3年下来，他完成了多铁性材料制备和磁电性能测试等工作，期间发表的两篇第一作者论文至今已被引用80多次。而他的书生意气也被激发出来，立志要寻根究底。拿到硕士学位后，他即前往海外，不仅拿到新加坡国立大学材料科学博士学位，还历任新加坡国立大学千禧基金研究员、新加坡-麻省理工联盟研究员、德国马克斯-普朗克物理微结构研究所洪堡研究员。在新加坡千禧年和德国洪堡等基金的支持下，他针对铁电及多铁性材料的薄膜和和纳米结构展开了深入研究，积累了丰富的经验。目前为止,已经发表SCI论文70余篇,其中不乏该领域的顶尖杂志论文。
　　 回国后，他脚踏实地，坚持从个人做起，循序渐进地实践着自己的梦想。数年来，先后主持两项国家自然科学基金面上项目，参与1项重点项目，并主持两项教育厅人才项目，以及1项广东省自然科学基金面上项目。其中，自然科学基金项目主要是开发新型多铁性纳米复合材料。
　　 针对信息存储材料研究发展的关键性难题，高兴森和他的团队提出了构建多功能材料纳米集成的设想。一方面，他们希望利用多种材料在纳米尺度的集成，获得室温下多功能材料；另一方面有望通过纳米结构的界面和尺寸效应，增强其磁电耦合性，获得高性能的材料。这也是他们近期主要工作的研究背景。前期，他们将侧重于纳米功能材料的制备和设计，并通过材料的设计来获得高性能的磁电复合结构；后期，他们则主要针对目前的难点电控磁的挑战，提出纳米尺度的电控磁增强的研究。
　　 在国家自然科学基金面上项目的支持下，他主持了“磁性纳米结构对多铁性场效应异质结电控磁性的增强研究”、“纳米尺度的磁电多铁性材料的建构及磁电耦合的调制”。
　　 在该系列研究中，高兴森团队希望利用现有的纳米制备手段，在单晶衬底上外延多铁纳米点阵及其它基于纳米阵列的复合结构，开展纳米尺度下多铁材料性能变化研究，并通过实验和理论模拟手段揭示其中的机理，探索纳米多铁在新型器件中应用的可能性。尤其在后一个项目中，高兴森团队要解决数个关键性问题。
　　 高质量纳米点阵列和薄膜是该项目的核心前提，其它样品也都依赖于此。因氧化物不像金属或半导体容易用光刻方法达到，纳米点样品制备很具挑战性。他们利用特制的氧化铝模板法结合脉冲沉积法制备大面积高有序度的外延纳米点阵，克服了传统工艺中氧化物刻蚀的困难。这种模板只有两三百纳米薄,很难驾驭,目前国际上只有少数几个实验室能够制备。在此基础上，他们还开创性地把模板技术和离子刻蚀结合起来,成功制备出纳米环和纳米孔阵列。而另外一个难点则是在纳米尺度的物理性能表征。为此，他们引进了国内首台Asylum Cypher型号的多功能扫描探针, 并且通过纳米级的小小的针尖同铁电、电导等仪器相连,实现针尖上压电、导电、磁性等多种性能测试。同时，还借助蒙特卡罗模拟计算对各种纳米结构的物性和磁电耦合进行计算。以此为基础，他们取得了一系列突出的创新性表现。
　　 初步成绩出来了，却鲜少有人知道他回国之初那段科研生涯实在是喜忧参半。喜的是，回国第二年就拿到了第一个国家自然科学基金面上项目；忧的是当时实验室还在建设中，条件艰苦，甚至只能“蹭仪器”来做研究。好在生性达观的他并不太放在心上，即使要“跑”到南京甚至香港去“蹭”，他也极力保证研究的持续进行。
　　 “不管怎么说，我们已经过来了。实验室建好后，也开始有其他团队包括清华大学也派学生来我们这里蹭仪器。”现在说起来，高兴森觉得那时的经历无论如何都是一种财富。
　　 当下，他和团队在纳米材料制备，测试、操控及纳米器件方面做了大量工作。如：制备了多种高质量纳米点及多铁性复合材料，制备出十几纳米铁电电容器结构，发现了多种复杂性铁电和铁磁畴，表征了纳米复合多铁性材料的铁电和铁磁畴等。他们希望在此基础上开发出新型信息存储和处理方面微电子芯片原形器件，尤其是开发出比现有闪存技术更高密度，更快的上游材料核心技术自主产权技术。
　　 尽管如今已经拥有了多功能扫描探针纳米测试系统等先进设备，也做出了一些优秀的起步工作，他们却深知自己距离梦想还有很长路要走。“基本建设完成了，但仪器上还需要少量的补充；我们当前最大的任务就是把研究做好，从长远来看，能研发出性能更优越的材料，并达到应用化的程度。”谈及未来，高兴森一一细数着，仿佛前景就在他们的指尖。