杨泽超 杭州师范大学物理学院教授

格物穷理，明德笃行

——记杭州师范大学物理学院教授杨泽超

2023-05-31

“古之欲明明德于天下者，先治其国；欲治其国者，先齐其家；欲齐其家者，先修其身；欲修其身者，先正其心；欲正其心者，先诚其意；欲诚其意者，先致其知；致知在格物。”“穷理、尽性，以至于命。”“大学之道，在明明德，在亲民，在止于至善。”“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之。”4句从我国典籍中精简出的人生哲理共同构成了杭州师范大学（以下简称“杭师大”）物理学院的办学宗旨：格物穷理，明德笃行。“这也是引领我在科研道路上前行的基本方针”，刚加入学院不到1年的青年学者杨泽超说。而他与杭师大的结缘更像是某种意义上的“志同道合”：作为多年来坚守在生长合成二维石墨炔、二氧化硅等新材料及开发新型快速扫描隧道显微镜仪器领域中的年轻科学家，他同正处上升期的学院平台一样，朝气蓬勃、自由生长。 

走入二维微观世界 

就在十几年前，二维材料对于人类来说还只停留在科幻层面。那种电子仅可在两个维度的亚纳米尺度上运动的材料对当时的学界来说，其牢靠稳定的程度并不够可信。因为传统科学认为，在单层原子的二维结构中热激发会驱使原子上下移动，从而重新构建成能量更稳定的三维结构。因此在很长的一段时间里，二维材料一直没有得到学界的认可，直到石墨烯的出现才打破了这一认知。那是2004年，也恰逢杨泽超高考择校之际。

与二维材料和新型器件相关的专业宣传信息似乎在当时一跃成为理工科学子眼中的“焦点”。“光信息技术未来很有可能超越电子信息技术，成为新时代的一支潜力股。”身处其列的杨泽超从尚不发达的信息渠道中坚定了自己的想法，进而报考了在光信息科学与技术专业名列前茅的哈尔滨工业大学。但很快，他却发现，原来这属于物理学的大范畴，并不是想象中一片完全未知且神秘的蓝海。“不过这也很好，物理学是对许多实用技术起支撑作用的深层科学，只要踔厉奋发，必将在广阔天地内大有可为。”正如他所言，在之后的求学岁月中，他将自己的心态一直调整、维持得很好，慢慢地甚至将其潜移默化成为自己的兴趣所在，享受着汲取知识的每分每秒。

但真正使杨泽超看到物理学魅力的还要属发生在大学三年级时的一次学术分享会。那时，他亲眼见到了诺奖得主的风采——纳米技术之父亨利希•罗勒（Heinrich Rohrer）带着助力他荣登1986年诺贝尔奖宝座的扫描隧道显微镜核心科技走入了杨泽超的生命。那也是杨泽超第一次知道，在扫描隧道显微镜的视角之下，可以直接进入纳米世界，旁观原子的结构与变化，甚至可以自由操纵它们。这对于杨泽超来说有着莫大的吸引力，于是他决定，投身相关研究。

这条从理论认知走向实践操作的道路花费了杨泽超不短的时间，直到前往德国柏林自由大学物理学院，师从何塞•伊格纳西奥•帕斯夸尔教授（Jose Ignacio Pascual）和卡塔琳娜•弗兰克教授（Katharina Franke）攻读博士的时候，他才亲眼见到了扫描隧道显微镜的本体。“我当时做实验采用的是低温扫描隧道显微镜，它的整个扫描成像部分都被安置在液氦温度的环境中（约-272℃），通过它，我以原子分辨率测量了一种功能分子的结构和电子性质，从而为其在有机太阳能电池中的应用提供了重要的参数信息。” 

由静至动开辟新知 

亲自动手参与实验之后，杨泽超才觉得自己对仪器、对科研有了真正意义上的了解，这也为他在之后进入德国马克斯•普朗克学会弗里茨•哈伯研究所（Fritz Haber Institute of the Max Planck Society）开展博士后研究奠定了坚实的基础，不过那时他不会想到的是，这一次的挑战不是规范使用仪器，而是从零开始搭建。

在导师汉斯•约阿希姆•弗罗因德（Hans-Joachim Freund）教授的引导下，杨泽超很快意识到低的时间分辨率会严重制约扫描隧道显微镜对表面结构动力学过程的观测。对比而言，在表面化学反应、材料生长和结构相变等过程中，原子或分子的运动变化通常发生在毫秒或微秒量级，但商品化扫描隧道显微镜的成像时间通常在分钟量级。因此，提高扫描隧道显微镜的扫描速度自然成为以原子分辨率实时实空间研究表面结构动力学过程的理想解决方案。基于这种思路，加上导师的鼓励与支持，杨泽超很快沉下心来，作为开发团队的核心科研人员开启了自己的探索。他的目标是在保有原子分辨率的前提下，力争将扫描成像速率提升至100帧/秒以上，这意味着要将商品化扫描隧道显微镜的成像速率提高2万倍以上，难度可想而知。所幸，成果是喜人的——一套历时5年打造而成的变温快速扫描隧道显微镜系统最终实现了杨泽超此前的所有想象。

在这套自研的仪器中，杨泽超团队采用了紧凑的粗进针设计和复合型扫描探头结构，针对性解决了传统扫描隧道显微镜在快速扫描时图像畸变和快速慢速扫描不易切换等硬件方面的问题；在控制系统方面，他们开发了新型螺旋扫描模式，并应用快速总线技术处理大流量数据，实现视频级STM图像的实时显示；在温度调控方面，他们则引入对扫描探头的反向冷却机制，并优化显微镜各部件的机械耦合方式，从而实现对高温样品的原位成像。值得一提的是，截至目前，此类兼具高时-空分辨和高温功能的扫描隧道显微镜仪器在国内外尚无成熟的商品化产品。“这套设备将成为研究纳米材料‘时间-结构-性质’构效关系的理想科研仪器，将为表面物理和化学的研究提供更多的实验手段，在原位实时实空间研究表界面原子扩散、薄膜材料生长和化学反应等领域均具有重要意义。”杨泽超自豪地介绍道。

2022年，杨泽超结束了自己的海外求索生涯，正式归国加入杭师大物理学院。“没想过要在国外待太久，毕竟将所学落在祖国大地上才算学有所得。”他如此描述自己的归国初心。

杭师大物理学院“年龄”尚小，但目前已处于学校重点建设学科之列。学校和学院对于科研人才的重视和对科技创新不遗余力的支持，也让杨泽超对杭师大平台十分感激，深觉只有孜孜不倦才能不辜负多方期望。幸而上天眷顾勤奋的人，目前一套高温快速扫描隧道显微镜原型机已经设置在杭师大物理学院的实验室内。

既然前沿设备已经就位，那么有关纳米结构演化动力学的研究也该顺理成章地提上日程，这对于开发新材料和新型催化剂具有重要意义，杨泽超深谙此理，因此从未懈怠。据他介绍，玻璃材料中微观结构动力学过程的实时实空间观测是实验凝聚态物理领域现存的重大难题之一。在金属钌（Ru）表面生长的二维二氧化硅薄膜具有原子尺度的平滑结构，是适合扫描隧道显微镜表征的理想材料体系，或许可以成为破题之义。利用他此前搭建的高温快速扫描隧道显微镜研究二维二氧化硅中晶态-非晶态结构转变过程中的原子运动动力学机制，有望为最终理解玻璃的本质和解释玻璃相变提供更多可用信息。

除了基础研究，杨泽超对于科研的现实意义也从未松懈关注。微电子器件是时下热门的转化方向，“随着石墨烯的现世，二维半导体材料由于新奇的电子特性受到了人们的广泛关注。然而绝缘材料也是制备电子器件的不可或缺因素”，他解释道，“与石墨烯类似，通过机械剥离法可将二维二氧化硅薄膜转移到其他基底上。作为宽带隙材料，它完全可以被应用于范德瓦尔斯异质结器件中的绝缘层。”但从现实层面来讲，这种构想也并非没有问题，他的前期研究发现，二维二氧化硅薄膜往往具有大面积缺陷，即孔洞。孔洞的出现会使机械剥离法转移的成功率直线下降，从而直接影响到其作为绝缘层的性能。那么，究竟如何探究二维二氧化硅的生长动力学机制，并将其与现实生产相结合，通过优化制备条件合成高质量的晶态二维玻璃薄膜，为其在二维异质结器件中的应用铺平道路，会是杨泽超及团队未来要攻克的难关。可以预见的是，前路漫漫，道阻且长，但他们已经枕戈待旦、做好了迎接新知的准备。

物理学科的本质在于推究万物之本源，探寻自然的普遍规律，追求至善致远的生命境界。但这一远大的理想绝非仅凭几个人的力量可以达到，因此，杨泽超也呼吁业内同仁积极携手、开展合作，力求让理学的智慧之花盛开在祖国的每一寸土地上。

来源：科学中国人 2023年5期 创新之路