材料學(xué)院潘峰教授等完成的“氧化鋅薄膜微結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控中的若干基礎(chǔ)問題”項目
獲2012年度國家自然科學(xué)獎二等獎
探尋材料世界的無窮奧妙
實習(xí)記者 趙聰
潘峰在863計劃新材料領(lǐng)域重點成果推介會上介紹研究趨勢。
項目名稱：氧化鋅薄膜微結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控中的若干基礎(chǔ)問題
項目完成人：潘峰 曾飛 宋成 楊玉超 劉雪敬
項目介紹：項目從能帶裁剪、自旋操縱和極化控制等方面開展了氧化鋅微結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控研究；闡明了缺陷誘導(dǎo)氧化物稀磁特性的機制，發(fā)現(xiàn)了小離子半徑元素摻雜能極大提高氧化鋅壓電性能的規(guī)律，揭示了阻變存儲器低阻態(tài)高導(dǎo)電性的物理本質(zhì)；發(fā)展出壓電、稀磁、多鐵、阻變等四種氧化鋅基新材料和濾波器、磁傳感器、阻變存儲器等三種原理型器件。該成果得到了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，推動了材料性能調(diào)控理論的發(fā)展。
氧化鋅，化學(xué)式ZnO，僅由兩個化學(xué)元素構(gòu)成。為了研究這看似簡單的材料，我校材料學(xué)院潘峰教授帶領(lǐng)的科研團隊花了整整10年。10年間，他們從能帶裁剪、自旋操縱和極化控制等不同角度入手，深入研究氧化鋅的微結(jié)構(gòu)及其性能調(diào)控，“開發(fā)”出壓電、稀磁、多鐵、阻變等四種氧化鋅基新材料和濾波器、磁傳感器、阻變存儲器等三種原理型器件。氧化鋅材料在他們手中，仿佛煥發(fā)出“百變”的魔力。
2013年1月，“氧化鋅薄膜微結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控中的若干基礎(chǔ)問題”項目獲得2012年度國家自然科學(xué)獎二等獎。與這份榮譽相比，一路走來在氧化鋅材料中找到的無窮奧秘，更讓潘峰和他的團隊為之著迷。
“做材料的相關(guān)研究，真的是一件非常神奇的事！”潘峰興奮地說。
巧妙“摻雜”提升氧化鋅性能
小朋友喜歡玩積木，因為它們可以組合成不同的結(jié)構(gòu)，從而呈現(xiàn)出樓宇、橋梁、房屋等千姿百態(tài)的樣貌；男孩兒們鐘情于變形金剛，它像人類一樣可以走動，而如果改變它的結(jié)構(gòu)，幾秒鐘內(nèi)就能變成一輛“小汽車”，其性能也隨之改變，可以馳騁奔跑起來。
和積木、變形金剛的魅力相類似，材料科學(xué)的研究，簡而言之就是讓視野進入微觀世界，通過改變材料中原子、電子等物質(zhì)的排列次序，使得原有材料獲得全新的性能，更好地為人所用，服務(wù)于現(xiàn)實的生產(chǎn)生活。
在神奇的材料世界里，潘峰“偶然”地與氧化鋅結(jié)緣了。
氧化鋅是一種氧化物半導(dǎo)體材料，而半導(dǎo)體幾乎是所有電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料。氧化鋅本身性能豐富，但金無足赤，任何一種材料都不是完美無缺的，氧化鋅的不足在于多方面性能都相對平庸，沒有被發(fā)揮到極致。
鈷摻雜氧化鋅的磁性機制示意圖。
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新型阻變存儲器機理示意圖。
潘峰帶領(lǐng)團隊所從事的科學(xué)研究，就是通過改變氧化鋅這種材料的內(nèi)部排列形式，進而提升其某方面的性能。這種改變材料內(nèi)部原子、電子等排列次序的手段叫做“摻雜”。
顧名思義，就像在烹飪中為了使主要食材的味道和營養(yǎng)得以充分發(fā)揮而加入另外一種食材或調(diào)料，“摻雜”是在原本的材料氧化鋅中“摻”些金屬離子進去，從而實現(xiàn)對氧化鋅性能的調(diào)控。
最初，潘峰在研究用于手機的聲表面波濾波器時，為了實現(xiàn)聲電功能轉(zhuǎn)化的需要，需要找到合適的壓電材料。常用的壓電材料是包含至少3個元素的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料，其中有的是稀缺元素，有的甚至是對人類健康有毒害作用的鉛元素，因此很難制備。這使潘峰把目光投向了相對容易制備的氧化鋅。
與鈣鈦礦壓電材料相比，氧化鋅的壓電性相對較弱，這方面很難得到廣泛利用。經(jīng)過多次科學(xué)實驗，潘峰發(fā)現(xiàn)在原子層面對氧化鋅進行“摻雜”可以大大提高其壓電性。這個思路是利用一個小的原子去取代原來中間的原子，由于新的原子較小，其移動空間較之前變大許多，因此產(chǎn)生電的極性就更大，壓電性得到很大程度的提高，壓電系數(shù)從原來的12提高到170，已經(jīng)接近復(fù)雜的鈣鈦礦壓電材料的程度。
就這樣，潘峰和他的團隊通過巧妙的“摻雜”，極大提高了氧化鋅這種簡單易制備的材料的壓電性，很大程度上提高了高頻聲表面波濾波器的濾波特性。用于高頻聲表面波器件的關(guān)鍵材料得以突破，并由此合作建立了有自主知識產(chǎn)權(quán)的聲表面波器件生產(chǎn)線。
打造未來存儲設(shè)備新材料
萬變不離其宗，研究壓電材料的經(jīng)歷讓潘峰和他的團隊看到了提升氧化鋅性能的無限可能。除了原子層面，他們又相繼從電子和納米層面對氧化鋅進行 “摻雜”，分別做成磁性、阻變氧化鋅材料。在信息化、網(wǎng)絡(luò)化的今天，這些研究有望推動計算機內(nèi)部存儲設(shè)備（包括內(nèi)存、硬盤等）和移動存儲設(shè)備（如U盤、硬盤等）的應(yīng)用材料發(fā)展。
人類步入信息時代后，信息存儲、處理、運算和讀取的速度與效果，對生產(chǎn)活動和社會活動都有著至關(guān)重要的影響。而在我們現(xiàn)在所使用的計算機內(nèi)部，信息的存儲、處理所用材料各不相同，具有不同的性質(zhì)：存儲和讀取信息大多使用磁性材料——硬盤；處理信息則使用硅材料，例如晶體管或二極管。如此一來，信息存儲、處理和讀取等材料彼此封閉，在多種性質(zhì)迥異的材料中間傳遞，運算和傳遞速度大打折扣。
因此，未來計算機理想的狀態(tài)是利用全部功能集于由同一材料制備的高度集成的器件，來實現(xiàn)信息存儲、傳遞、處理和讀取于一體。新世紀伊始，國際上相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家都在尋找可以應(yīng)用于自旋電子學(xué)器件、具有室溫磁性的稀磁半導(dǎo)體材料。在這場看不見硝煙的競爭中，潘峰團隊基于他們做壓電材料的經(jīng)驗，再次通過“摻雜”的方法使氧化鋅“化腐朽為神奇”。
氧化鋅本身不具有磁性，通過“摻雜”，在電子層面改變其自旋，就能使這種材料帶有磁學(xué)特性，實現(xiàn)自旋極化。一直以來，研究者普遍認為其磁性與載流子有關(guān)。潘峰團隊通過系統(tǒng)研究證實了稀磁氧化物的室溫磁性起源于結(jié)構(gòu)缺陷，解決了長期困擾這個領(lǐng)域的機制問題。電子有向上和向下的自旋，根據(jù)取向的不同，分別記錄1信號和0信號，以這樣的方式記錄信息。存儲完畢后，通過自旋傳輸繼續(xù)進行信息處理，最后在另一端讀取信息。“全部過程都在一張芯片上完成，這一突破在信息產(chǎn)業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。”團隊成員、材料學(xué)院先進材料教育部重點實驗室副研究員宋成介紹說。
近年來，計算機硬盤和智能U盤的發(fā)展速度很快，信息儲存容量也越來越大。但制作計算機硬盤和U盤使用的材料，信息處理速度明顯比內(nèi)存慢許多，存儲信息可靠性不夠，在太空等環(huán)境中使用時不具備抗輻照等特性。反之，電腦內(nèi)存的存儲速度很快，但它的致命缺點在于斷電后信息丟失，由于其存儲的信號要反復(fù)刷寫，大大增加了電腦能耗，并導(dǎo)致手提電腦待機時間縮短。
潘峰團隊在對氧化鋅材料進行納米層次的調(diào)控后，設(shè)計發(fā)展了阻變存儲器這樣一種原理型器件，利用電阻的高與低來存儲信號，能夠兼顧內(nèi)存信息處理快和U盤斷電后信息不丟失兩者的長處。
阻變存儲器的結(jié)構(gòu)就像 “三明治”，兩邊是金屬電極，中間是絕緣的存儲介質(zhì)，在電的激勵下，有一個納米級別的導(dǎo)電細絲穿透了這個“三明治”結(jié)構(gòu)。
在“三明治”中采用氧化鋅，并不是潘峰團隊首創(chuàng)的。但他們使用錳元素進行‘摻雜’，使電阻變化達到107，電阻改變非常顯著，極易識別。特別是，他們通過制備大量樣品，在透射電鏡的輔助下直觀地看到了掌控電阻高低變化的根源——導(dǎo)電細絲的形成與斷開。
如果用這樣的阻變器件制成存儲器，目前推算其材料穩(wěn)定性較高，10年內(nèi)信息保留沒有問題。信息讀寫速度在納秒以下，和現(xiàn)在電腦內(nèi)存的讀寫速度差不多。而且斷電后信息保存完好，不會丟失。更“絕”的是，氧化鋅材料還能抗輻照，完全可以在太空中使用，這使它在航天和國防領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。
堅持做“領(lǐng)跑”的研究
回顧10年來的研究心得，潘峰為自己的團隊成員深深感到驕傲。他表示，清華學(xué)生都很努力，而他要做的，就是盡可能帶領(lǐng)同學(xué)們直面最前沿、具有重大應(yīng)用背景的科研課題。“我總告訴學(xué)生，你們永遠站在巨人的肩膀上，要做‘領(lǐng)跑’而非‘跟跑’的研究。這些年來大家真的很興奮，是興趣推動著所有人一步一步努力推進研究。因為興趣，所以堅持。給大家最好的課題、最好的方向，這就是帶領(lǐng)團隊科研攻關(guān)的‘王道’。”潘峰深有感觸地說。
潘峰的博士生宋成最為感激的，就是老師提供的良好科研環(huán)境。只要學(xué)生有好的想法，潘峰從不加以限制，并且給予經(jīng)費和時間保障，鼓勵學(xué)生努力嘗試與探索。
正是在這種鼓勵探索創(chuàng)新的學(xué)術(shù)氛圍激勵下，博士生楊玉超在閱讀文獻時被“阻變存儲器”這個主題所吸引，大膽提出將氧化鋅的研究與阻變存儲器結(jié)合起來。很快，團隊撰寫的第一篇學(xué)術(shù)文章發(fā)表在《納米快報》上，一炮打響，前3年他引次數(shù)就達160多次，并被國際同行認為是自上世紀60年代以來科學(xué)家們在阻變存儲機理研究方面 “一直渴望做到”的重要進展。
與圍繞一個問題深入探尋的普遍科研模式不同，潘峰和他的團隊10年來“鎖定”的是氧化鋅這個“并不起眼”的材料。不斷探索、挖掘和調(diào)控它的多種功能，甚至在缺陷中瞥見原以為不可能有的特性，成功的背后是十年如一日反復(fù)大量的嘗試和探索。這兩個元素構(gòu)成的材料世界里還有多少奇妙的現(xiàn)象？潘峰和他的團隊將繼續(xù)尋找更多的答案……
來源：新清華 第1917期 2013-5-17
