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张旭:打造原子级厚度的高频集成电路“35岁以下

来源:未知 时间:2020-03-28 05:46

  2019 年 12 月 14 日, 《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下科技创新 35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。 在本届榜单上,虽然缺失了“创业家”的身影,但是我们看到了许多在具有产业化潜能的领域坚持科研使命的获奖人,也看到更多散布在海外顶尖学术机构的科学家们,用自身不改初心的坚持努力,取得了世界级标竿成就的科研成果,其中有超过半数以上的获奖者,都取得了世界级的突破性研究成果与发现。 我们将陆续发出对 35 位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

  自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35 岁以下科技创新 35 人”榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017 年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届 2020 年度榜单正在征集提名与报名,截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。

  张旭凭借其在微纳电子器件领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

  获奖理由:他设计制造出仅为原子级厚度的高频集成电路,为“后摩尔时代”超越传统硅基芯片探索新的可能性。

  “我从小对物理有浓厚的兴趣,本科在中国科学技术大学物理系学习。当时想法比较简单,纯粹就是对物理感兴趣,” 张旭在接受采访时回忆道。

  中科大安静的校园氛围为张旭提供了如鱼得水的学习环境,走在心之所向的道路上也让他充分享受其中。在恩师曾长淦教授的启发下,他对原子级二维半导体领域产生了兴趣,并且逐渐意识到相关科研成果有望拓展和颠覆现有的硅基半导体产业。

  在本科毕业后,张旭前往麻省理工学院(MIT)攻读博士学位,师从 Mildred Dresselhaus 教授和 Tomas Palacios 教授。Dresselhaus 教授是物理学界泰斗级科学家,享有“碳科学女王”的美誉。在 MIT 浓厚的鼓励创新的文化熏陶中,随着科研水平的日益精进,张旭逐渐树立了以“发展有价值的技术”来推动社会进步的目标。

  张旭的科研工作专注于探索拥有原子级厚度的“类石墨烯”二维晶体材料,挖掘其优异的半导体属性,为“后摩尔时代”的芯片产业探索新的机遇。

  在过去的60年里,半导体和芯片产业主要围绕三维的硅基材料展开,其发展规律基本符合“摩尔定律”的预言。

  然而,随着晶体管尺寸不断逼近物理极限,芯片小型化的进程已然放慢,其纵向尺寸很难再有突破性的缩减,而且纳米级晶体管还会面临漏电和“量子隧穿效应”的影响。这意味着,整个半导体行业急需在“后摩尔时代”找到新的发展方向。

  张旭从事的二维半导体研究就是一个重要的科研思路。他和团队成功设计制造出原子级厚度的的基于二维半导体的高频集成电路单元,为颠覆传统硅基芯片设计找到了新的突破口。

  “作为一种刚刚崭露头角的前沿材料,目前对于其诸多物理属性的认知还有大量空白,”张旭解释道,“因此我对石墨烯等二维晶体的表面功能化和谱学分析领域进行了深入研究。”

  他利用电子回旋共振等离子体技术,发展出一种针对二维材料的非侵入式表面功能化方法。该方法在提高载流子浓度的同时,打破了高载流子浓度石墨烯的电子迁移率记录(1500 cm2/vs),同时可以保持 sp2 轨道杂化的完整性。

  基于此,他还首次揭示出诸多二维材料表面成键不同于三维材料的特性,在基础科学和应用领域均带来了突破性的创新成果。

  近年来,张旭另一个代表性科研成果是高频柔性整流天线技术。随着物联网时代的来临,如何为数以百亿级的物联网传感器随时随地提供能源解决方案是一个严峻的挑战。科学家一直在寻找一种能量采集器,从 Wi-Fi 和移动通讯等高频电磁波获取能量,但受限于器件构型和寄生电容等问题一直进展缓慢。

  为了解决这一难题,张旭首次提出了基于二维半导体(二硫化钼)的“原子级相变异质结”。全新的器件构型颠覆了传统纵向构型,可以同时大幅降低寄生电容和阻抗,并且刷新了系统集成的柔性整流天线截止频率的最高纪录,成功覆盖了 Wi-Fi、蓝牙和包括 5G 在内的移动通讯波段。

  在最新实验中,该技术可以从涵盖 Wi-Fi 频率波段的电磁波中收集能量,在零外电压的条件下成功点亮负载 LED,实现了无需电池的无线高频充电。

  这一突破性技术有望将 Wi-Fi 等网络基础设施升级转化为潜在的能量热点,为物联网电子设备提供能源解决方案,在可穿戴设备、柔性电子学和物联网等领域拥有巨大的应用潜力。

  对于颠覆性技术的重视,也决定了张旭未来科研的方向。他在 2019 年 8 月入职卡内基梅隆大学(CMU)电子工程与计算机系担任助理教授、博士生导师,继续专注于二维半导体和柔性整流天线等技术,结合超低功耗智能芯片和高频无线能量采集技术,实现完全不需要电池的分布式传感器,希望在未来几年内产业化。

  谈到中国的半导体产业,张旭认为,“半导体领域正处于一个重要的变革期,很多想法都是新的。从移动互联网到物联网的升级过程中,半导体产业将发挥关键作用,也蕴含着巨大的机会。”