楊玉超：極限挑戰

杜月嬌

見到楊玉超時，這位第十一批“千人計劃”青年人才入選者來北京大學微納電子學研究院任職還不到3個月。這位北大“新人”很忙，每天幾乎都要工作十四五個小時，就連周末也不例外。乍被問到業余愛好，他有些茫然，為了讓回國后的研究工作盡快步入正軌，似乎還沒能來得及有“業余”。“有了的話，我再告訴你。”最終，他給了這樣一個可愛的答案。

跟著興趣走

“走上微納電子之路沒有什么特別的原因，就是在研究過程中興趣的自然轉移。”從本科到研究生，楊玉超原本的選擇一直是材料學。用他的話說，雖然材料是器件的組成部分，但他開始的研究是比較偏基礎的。轉折點出現在他博士二年級那一年。

當時，楊玉超還在鉆研氧化鋅薄膜的結構性能調控，期間，完成了一個“非常粗糙、非常簡單”的器件模型。結果在測量器件時得到了一些“奇怪”的現象，他不知道該怎么解釋這些現象。“我想調研一下，然后發現那時國際上開始關注一種叫做阻變存儲器（RRAM）的器件。”

2008年前后，阻變存儲器還是個“小鮮肉”，即使到現在，它也是一個非常有“前途”的器件。“大家都知道，過去的50年里，計算機行業的發展速度沿循摩爾定律，非常快，但是近些年來，由于器件到小尺度后出現的各種物理和工藝上的限制，計算機行業發展遭遇了瓶頸，人們開始擔心摩爾定律無法繼續下去。其中一個重要的限制就是存儲器。”楊玉超解釋道，阻變存儲器，又稱憶阻器，是延續摩爾定律生命力的“法寶”。國際大型半導體制造商如惠普、三星、美光等都把它放在戰略高度。

楊玉超就這么被RRAM器件吸引了。那時，他所在的清華大學的實驗室尚未開展這方面的研究，他需要迅速學習大量的新知識，摸索RRAM的制作工藝，設計合適的測試方法。可就算再難，他也甘之如飴。2009年，楊玉超在Nano Letters上發表了他個人在憶阻器領域的第一篇論文。文章里報道了楊玉超采用透射電子顯微鏡（TEM）手段直接觀察到的器件在阻變過程中形成的納米尺度導電細絲，并且他還進一步通過能譜分析和變溫電輸運等測量方法證明了該導電細絲的組成為金屬態的銀原子，從而從實驗上直接證實了RRAM器件實現存儲功能的金屬導電細絲機制。文章發表后不久就被《自然》出版集團旗下的雜志作為科研亮點報道，后又獲得2010年中國真空學會博士優秀論文獎。惠普公司在隨后發表于《先進材料》上的文章中高度評價這個中國年輕人的工作為領域內的“重要進展”。迄今為止，這項工作共計被SCI他引354次，并入選ESI高被引論文。

那時的他，以學生身份成為1項國家自然科學二等獎和1項教育部自然科學一等獎的骨干獲獎者，還主持了1項教育部“博士生訪學計劃”同步輻射研究生創新基金項目。那時的他，是材料系年年獲得獎學金的優秀研究生，是清華大學的學術新秀，卻依然向往著最前沿的研究。2010年，他博士四年級未完，就開始聯系世界上在RRAM領域幾家著名的實驗室，為翌年畢業后出國留學做準備。幸運的是，郵件發出去后不久，美國密歇根大學安娜堡分校電子工程與計算機系的實驗室就給了他回復。“郵件說晚上給我打電話，討論一下各種選項。我當時還不太理解，后來電話溝通以后才知道對方教授有兩個建議的方案，一是馬上過去開始研究，等正式畢業答辯時再回來，他們會承擔路費；二是等畢業以后再過去。”

密歇根方面希望他能選擇前者，因為密歇根大學的實驗室正急于在RRAM器件機制方面取得突破，而楊玉超的工作令他們極感興趣。最終楊玉超提前博士畢業開啟了5年的留學生涯。

要做就要做得透徹

楊玉超在清華的工作已經直接觀察到了RRAM器件中的納米尺度導電細絲，但是具體到器件內含的動力學機制，他認為理解得還不夠透徹。“只有清楚地了解現象背后蘊含的科學原理，才能更有針對性地優化性能。這對器件研發至關重要。”楊玉超說。

在之前的工作中，楊玉超對導電細絲在RRAM中的關鍵作用有了一定的認知，但是，“機制”兩個字背后，包含著導電細絲生長的諸多動力學因素，如驅動力、形核過程、生長方向、幾何形貌等。尤其當器件只有十幾二十納米時，導電細絲的尺度甚至只有幾個納米。“一根頭發絲是幾十微米，導電細絲尺度只有頭發絲的萬分之一。在這樣一個微小尺度上去原位地觀測導電細絲的動態工作過程，對實驗造成了極高的難度，需要一個巧妙的實驗設計思路，并且堅持不懈做下去才能找出‘真相。”

楊玉超的“設計”，是將基于氧化物和非晶硅的RRAM器件放在一個厚度僅為15納米、直徑3毫米的氮化硅基片上。“基片上有小的觀察窗口，厚度只有15納米，要想看清樣品里面發生的原子尺度的結構變化，就必須利用電子束穿透樣品。”該方案極具創造性，既能滿足電學測量需求，又可以完成對導電細絲的TEM觀察，而且不需要經過破壞性的樣品制備過程，可以最大程度地保持器件真實的工作狀態。當然了，完成這項工作最重要的還要取決于實驗者的“手藝”。“在15納米基片上做器件，需要經過很多步的微加工工藝，任何一個步驟出現失誤都可能輕而易舉地讓之前所有努力付之東流。”楊玉超感慨著，仿佛又回到了那段日子。基片太薄，太容易損壞，更困難的是基片薄到一定程度就會失去剛性，變形起皺。等到器件下一步工藝時再對這樣的基片進行電子束曝光，把不同層圖形之間對準，就更難了。

“比一般的鑷子尖兒大不了太多。”楊玉超解釋“直徑3毫米”的概念。那么多難題在一個“鑷子尖兒”上操作，問題層出不窮。每次發現問題之后，他都要重新找一個思路去解決，經常在實驗室熬到凌晨四五點鐘。就這么披星戴月過關斬將地做了大約1年，通過利用TEM觀察比較導電細絲的動態變化，終于切切實實地觀察到了兩種不同的導電細絲生長動力學模式，擴充了傳統固體電化學理論對于導電細絲生長動力學的認識。“離子遷移率是導電細絲生長方向的決定性因素”，結論出來，楊玉超很興奮。保險起見，他又通過原位透射電鏡實時記錄了電阻轉變過程中導電細絲生長的動力學過程，與之前的觀測并無二致。endprint

這是他在美國的第一項具有“國際首次”性質的工作。2012年，Nature Communications首先報道了這一工作，隨后，Nature Nanotechnology的綜述文章中贊揚該工作“extremely valuable（極有價值）”。該工作同樣也入選ESI高被引論文，短短幾年中，僅SCI引用就達到了192次。

歷盡波折的成果，給了楊玉超一種難以言喻的滿足感。但沒多久，這個愛思考的男人又開始轉動腦筋了。“導電細絲并不是尺度最小的基本單元，細絲里面還有更小的金屬顆粒排列著。”要了解導電細絲的動力學過程就需要從更小的尺度上理解金屬顆粒是怎樣運動的。他覺得很奇怪：顆粒在液體和氣體中能夠移動，是因為液體和氣體里有空間，顆粒周圍的阻力沒有那么大。可是固體是一個很致密的材料，怎么可能“允許”顆粒自由移動？然而，原位電鏡不會騙人，他的確看到了這個超乎想象的現象，而且不管是RRAM器件中普遍采用的銀、銅等活性金屬，還是包括鉑在內的傳統意義上的惰性金屬，在受電場驅動時竟然都能在固體中發生場致遷移。通過更進一步的深入研究他恍然大悟：原來顆粒并不是整體移動的，而是通過電化學氧化還原反應經歷了金屬原子氧化成為離子、單個離子在電場作用下遷移、到達新位置重新還原成為原子的一系列動力學過程。

“這是一種普遍行為！”楊玉超的眼睛亮了。在進一步的研究中，他從根本上解釋了迄今為止實驗中觀察到的所有不同導電細絲生長模式，從而在同一理論框架內完整地闡述了金屬導電細絲機制。2014年，這項工作再一次通過Nature Communications廣為人知，并迅速地被美國自然科學基金官方網站、BBC News、ScienceDaily、Phys.org、Yahoo News等20余家網站相繼報道，被國內外同行認為對發展基于納離子學的各類新型信息、能源器件等具有重大意義。

寫滿創造性的“科研狂人”

“More Moore，More Than Moore”，看上去像繞口令，可楊玉超說這就是微納電子領域未來的兩個發展趨勢。

“Moore”指的是摩爾定律中的摩爾。所謂“More Moore”，就是要將摩爾定律支配下的計算機和半導體事業做到更極致。“這些年，晶體管從40納米級發展到28納米、14納米，直到現在的7納米。哪怕每次只能前進小一點點，也要把這‘一點點做出來。”而“More Than Moore”則意味著完全換一條路走，“比摩爾定律更高級別”，他透露，這與類腦計算有關。

傳統計算機中，處理器和存儲器是分離的。“每次處理數據，都要從存儲器中讀取信息，處理完之后再存回去。”在楊玉超看來，這是一種非常低效的方式，卻被運用了幾十年。“計算機看似強大，但是人腦能輕而易舉實現的東西，計算機往往實現不了。大腦才是計算功能最強的硬件。而現在要用憶阻器去實現一種新的計算方式，它可以將數據處理器和存儲器完美地融合在一起。這就是類腦計算。”

說起來，這也是一種模擬大腦的仿生信息處理方式，已經成為憶阻器領域中新的研究熱點。近一兩年，歐盟、美國、中國等都相繼推出了不同的“腦計劃”，而楊玉超專注多年的憶阻器就是其中最關鍵的硬件。“對我來說這是一個非常振奮人心的領域。”在腦計劃席卷全球的聲勢下，他看到的都是機遇，不僅是個人科研生涯，更關系到一個國家未來的競爭力。

“在國外時，我們對國內極為關注，尤其國內的科研事業發展日新月異。很多人都迫不及待想要尋找機會回國，真正參與進來。”楊玉超也一樣，他向往這種家、國雙向的歸屬感，希望能夠在中國實現這些新的想法，做出一些事情。

采訪中，他多次提到類腦計算。這也是他計劃內的主干方向。要真正實現類腦計算，硬件研發是重點。憶阻器的性能達到什么程度才能滿足神經形態器件的要求，以及怎樣把眾多的器件單元有機地整合在一起實現人工神經網絡的功能是類腦計算研究必須解決的關鍵問題。“最近想的比較多，產生了一些可行方案，正在實施。”他說。

實際上，這也并不是他第一次涉足器件研發。在美國時，他就開發了以雙層氧化鉭薄膜為存儲介質的RRAM，通過兩層氧化鉭薄膜中氧空位濃度的調控在單個RRAM器件中實現了互補型電阻轉變。采用氧化物異質結取代通常情況下的單層存儲介質作為RRAM的存儲材料，也是他的創意，借此，他一舉解決了良好的疲勞特性和非線性低阻態不可兼得的問題。數次嘗試后，他開始向更新的二維材料出手了，這一次，他看準的是材料界的新寵石墨烯。讓石墨烯代替傳統金屬作為RRAM的電極材料會怎樣？他發表在2014年《先進材料》上的一篇文章說出了答案：利用石墨烯電極在弱氧化環境中鈍化之后的閾值轉變特性成功地在該類器件中獲得了非線性低阻態，從而將選擇器件的開關特性整合到了RRAM電極材料中，提高了整體的集成度。《先進材料》審稿人認為，這一做法非常具有“創造性”。

對楊玉超來說，研究器件是必然的，因為深刻的機制研究必然會走向應用。未來的工作中，他也會在鉆研基于氧化物的憶阻器工作原理基礎上，把基于憶阻器的神經形態器件和類腦硬件做好。至于做到什么程度，他只說了四個字“精益求精”。

不管是憶阻器，還是類腦計算，“研齡”都還不大，“很多人可能不知道怎么去做，這就需要交流合作，才能真正深入下去。”他喜歡與國內外學術界交流，也希望能將自己多年來積累的經驗和教訓傳遞給自己的學生們，讓他們少走彎路。“我非常鼓勵他們來跟我討論。”他告訴學生，一定要對科研有好奇心，要喜歡想，喜歡更深入地反復揣摩那些問題，才能導致更新的發現。更重要的是，要有科研熱情。

“你要對科研產生激動的感覺，認為解決問題非常有意思，才會有不顧一切的自我驅動力，愿意全身心投入進去。”不經意之中，他描畫出了自己在科研中的形象。正如他對“前沿”的定義，就是“現有的東西雖然已經很好，但還可以更好，永遠在挑戰一個新的極限”，這位“科研狂人”胸懷中實在是澎湃著一顆躍躍欲試的心。endprint