“芯”之所向 全力以赴
——記北京航空航天大學副研究員葉茂

倪海波

2018年4月17日凌晨，美國商務部宣布，將禁止美國公司向中興通訊銷售零部件、商品、軟件和技術7年，直到2025年3月13日。該消息一出，在我國國內引起了軒然大波，上至中國政府，下至普通百姓都深刻意識到，中國自行設計、制造芯片已刻不容緩。一塊指甲蓋大小的芯片，如今已成為全球企業競爭、科技比拼的重要籌碼。

同年，還在美國密歇根大學攻讀博士的葉茂在導師推薦下，開始獨立負責一門研究生課程，主講芯片集成納米制造技術。看著教室里不同膚色、不同國家的學生，想到鬧得沸沸揚揚的中國芯片被美國“卡脖子”事件，站在講臺上傳授芯片集成納米制造技術的葉茂，心中越來越不是滋味。在密歇根冰天雪地的深夜里，有一個想法在他的腦袋里冒了出來：“我或許可以做點什么”。

當這個想法越來越多地出現后，葉茂開始為回國做準備了。“我就在想，我既然掌握著芯片集成納米制造這門技術，為什么要留在美國給外國學生講呢，我應該回到國內去，給國內的學生講這些知識。”幾次輾轉奔波之后，2020年，葉茂正式加入北京航空航天大學。

春寒料峭，市場的需求，政策的加持，科研的創新……在“中國芯”迎來絕地反擊的“春天”里，葉茂就此蓄勢發力，向著更多的可能全力奔跑。

赴約一場成長

即便已經跨入而立之年，葉茂的身上仍保持著最初的那種純粹：無畏無懼，一往無前；隨心而行，隨遇而安。

2007年，葉茂考進華中科技大學材料科學與工程學院。在大學期間，葉茂并不算一個特別勤奮和“聽話”的學生，他在學習上的動力大多來源于興趣，喜歡做什么就去做什么。有一天，他突然萌生了“想出國去看一看”的想法，于是就自己準備出國考試（托福和GRE），并拿到了獎學金，去了美國密歇根大學攻讀機械工程碩士。

葉茂的碩士導師是一個印度人，在美國密歇根大學有著舉足輕重的影響力和地位。葉茂來到他的門下時，獲得了一份研究工作，以此可以全免學費同時還有一份科研助理的工資，是很好的待遇。葉茂問導師：“我的成績不是最好的，簡歷也不是最漂亮的，這么好的待遇為什么給我呢？”

葉茂在超凈間內

葉茂的導師回答說，因為他覺得葉茂在這項研究上很有自己的想法。在去美國之前，葉茂已經和導師有過一些交流，在交流中，針對一些研究上的問題，他給出了多種解決方案，自此給他的導師留下了深刻的印象。“他覺得這是我很大的一個亮點。”跟隨碩士生導師，葉茂從事了利用納米生物材料仿生骨支架的相關工作，并取得了一系列成果。

2014年，葉茂碩士畢業后原本打算直接工作。他坦言道：“我讀博士其實是一件十分偶然的事情。”當時，葉茂剛剛找到工作，偶然在一次學術報告上碰到了剛來到密歇根大學工作的Yasha Yi教授，通過交流，兩個人碰撞出了很多新的想法，然后他的博士生導師對他說：“我們或許可以實現它們（這些想法）”。就這樣，葉茂放棄了到手的工作機會，選擇繼續在密歇根大學攻讀電子與計算機工程博士。

葉茂的主要研究方向是芯片集成光電子器件與芯片集成納米制造技術。簡單來說，后者是為前者服務的，為了制造芯片集成光電器件，往往需要花大量的時間和精力在芯片集成納米制造技術上面。自2014年起，葉茂就進入美國頂級（state of the art）大型芯片集成實驗室勞瑞納米加工技術實驗室（Lurie Nano Fabrication Facility）學習基于硅基材料的納米制造和芯片集成技術，并在之后的研究工作中逐漸掌握了這項技術。

在國外的學習期間，葉茂主要圍繞可見光波段光學超構表面和超構透鏡、醫用閃爍體的光抓取納米結構及芯片集成激光雷達光學相控陣（OPA）器件等方面進行了深入系統研究，取得了若干國際領先的重要成果。

葉茂開發了基于大折射率富硅基氮化硅的超構透鏡設計與制造工藝體系，突破了可對抗刻蝕延遲的超構透鏡和無色散超構透鏡設計技術，解決了可見光波段光學超構表面和超構透鏡制造難度大、成本高及存在色散等難題，研制了基于可見光波段的光柵結構超構透鏡、線偏振超構透鏡和具有聚焦結構的超構透鏡等集成光子學器件；他開發了可用于醫用閃爍體材料的光抓取納米結構，極大地提高了常規醫用閃爍體的發光效率；針對芯片集成激光雷達中的核心偏光組件，他提出了基于光學相位矩陣（OPA）和光學超構表面相結合的非機械式可控偏光方案，可極大地減小激光雷達的體積、重量和成本。相關成果已在領域內知名學術期刊發表論文20余篇，授權國際專利1項。其中葉茂研發的可設計聚焦結構的光學方法被世界知名科技評論《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）專題報道，并指出了此技術在未來芯片光刻行業具有重要應用前景（文章題目為“為什么超構透鏡即將為芯片制造業帶來革命”“Why metalens are about to revolutionize chip-making”）。

在國外學習和研究多年，葉茂與導師之間的關系更像是朋友和合作伙伴，這種關系一直維持到現在。葉茂說，他和他的博士生導師都是十分理想主義的人，總想著可以做出一些東西去改變世界。因此，他們的研究十分務實，往往會考慮一些前沿技術在工業界大規模應用的可行性，比如研發比較前沿的超透鏡時要去研究如何降低成本，以實現大規模生產。

在與導師及其他老師的不斷交流中，葉茂越來越堅定這種價值認知：做出好的成果不是為了發論文，不是為了功與名，而是為了去改善人們的生活，讓這個世界變得更好。“我們一直在朝著這個目標前進，我們在做出成果時，往往第一時間就會想到，這個能不能得到應用？跟同行業相比，它的優勢在哪里？我們做研究最終的目的一定是讓科研成果惠及人類，惠及世界。”葉茂說道。

就像是一場修行，葉茂在美國不斷汲取知識，增長見識，提升能力，迅速成長為芯片制造行業內的知名青年學者。他表示：“芯片集成納米制造工藝的開發是非常費精力的，但是當你親手制造出40納米、20納米的結構及器件后，你了解了芯片制造工藝的每一個細節，這都是非常寶貴的經驗。現在，回過頭想一想，這是我在美國最大的收獲之一。”

奔赴旅程，忠于自己

即便已經在國外打下了一片自己的天地，但是葉茂回國就職的道路依然不是順遂的。

在美國待了7年多，葉茂不認識國內學術界任何人，只能在網上搜索求職，海投簡歷。好在當時國內很多學校都有海外青年論壇，一些高校對葉茂熱情地發出了邀約。于是，在2018年短暫的圣誕假期，他回國一次性跑了4所高校。但這不是一次成功的旅程，相比于葉茂拿出的一些納米制造技術和器件成果，他當時碰到的老師們似乎對簡歷上論文的影響因子更感興趣。那年的冬天，他第一次知道還有論文分區這回事。

與麻省理工學院微系統實驗室合作者留影

也曾有人勸葉茂先在一些高影響因子的期刊多發幾篇論文，再以此為臺階回國就業。思考過后，葉茂拒絕了。“我或許可以這么做，但這并不是我做研究的初心，研究成果的價值在于它是否能推進其所在領域的進步。我覺得能真正解決問題，能真正可以應用上的研究就是好的研究。”即便2018年的那次短暫回歸沒什么收獲，但葉茂仍然堅持回國的想法。博士畢業后，他繼續做了一年的博士后研究，將之前沒有完成的工作完成，并于2019年年底又回到了國內。

這一次，葉茂遇到了懂他的“伯樂”——房建成院士。在經過一番深入的交流之后，房建成院士對他說：“你的研究做得不錯，我們很需要你這樣的做芯片集成光電子器件與納米制造技術方面的人才。相比論文我們更看重能實際應用的成果，能解決問題，能真正有用且好用就行。”就這樣，葉茂加入了北京航空航天大學，任副研究員。

“做研究，需要找到志同道合的人，我跟房院士的想法很一致，就是做出實際有用的東西。相比發文章，我們更在乎的是能不能把芯片集成事業做起來，在自己的領域制造出中國自己的芯片并付諸產業化，改變芯片工業的格局，使中國的芯片事業追上，甚至超趕美國。”葉茂說道。

相比于芯片的設計，芯片的制造才是制約我國芯片集成事業發展的關鍵“短板”。如何將光電子器件進行芯片化，做得那么小的同時還降低成本，有完善的功能、好的性能、高的良品率，是一個較大的難題，而葉茂就為了解決這個難題而歸。

利用多年來在芯片集成光電子器件領域的研究積累，面向國家對關鍵測量與導航儀器的發展需求，葉茂回國后立即開展了芯片集成量子精密測量器件理論方法與制造技術研究工作，主要包括芯片集成原子磁強計、芯片集成原子陀螺儀、功能型光學超構表面技術、面向商用的平面集成光學超構透鏡等，致力于為我國在短時間內實現核心關鍵光電子芯片技術的突破提供強大的技術支撐。同時，葉茂還依托國家重大科研項目的開展進行了相關平臺建設和教學工作。

從事科研成果多年，葉茂鮮少有負面情緒的時候。回顧自己一路走來，他說：“有問題就解決問題，我其實沒有那么多時間和精力去解決情緒上的事情。”

在美國時，雖然葉茂所在團隊的資源不少，但是團隊的人卻很少，只有他和他的師弟兩個博士。那些年，就是他們兩個人完成了一項又一項科學研究。在芯片集成光電子器件的制作過程會出現各種各樣的問題。但是葉茂和他的師弟沒有一句怨言，只是埋頭工作，最終完成了多項具有嚴格工程指標的科研任務。“其實，我們并沒有覺得很累，就是一方面有計劃地去做研究，另一方面發散思維多想辦法，多嘗試。我們沒有時間去想：這個好難，做不出來怎么辦？或者說，這個太難了，不想做了。這不可能，我們既然開始做了，就一定要做出來，而且要做好。”

回國時，雖然一開始沒有得到認可，但是葉茂從未想過放棄。他想的還是：什么問題都是可以解決的，只要我把成果做出來，且能用上，總有一天會有人認可的。正是這樣的樂觀、堅韌的精神造就了現在的葉茂。

用現在，去未來

基于原子無自旋交換弛豫（SERF）效應的原子磁強計是目前最高精度的磁場測量傳感器，其理論精度可達亞飛特量級，是目前戰略磁測量與醫學生物磁測量設備中的核心器件。原子磁強計的芯片化將極大地縮小目前器件體積（從傳統的厘米級縮小至毫米甚至微米級），降低功耗和成本，是未來高精度、微型化、陣列式量子磁傳感器件的必經之路。多種軍用以及醫療裝備如微型量子導航系統、微型深海探潛系統、高分辨腦磁成像裝置和體內介入式生物磁測量設備等，都對原子磁強計的芯片化提出了迫切需求。

2014年美國桑迪亞國家實驗室受美國國家衛生研究院（NIH）和美國能源部核安全部門（DOE-NNSA）等多家單位的支持，開啟了微型芯片化SERF原子磁強計陣列（OPM）原理樣機的研制。此外美國國家標準技術研究所（NIST）獲得美國策略環境與發展研究計劃（SERDP）資助，于近年開發了適用于芯片集成制造方法的垂直鍵合式原子磁強計原理樣機，率先開始了芯片集成原子磁強計的研究。同時，我國也在“十四五”規劃中明確提出了對芯片集成量子精密測量器件的迫切需求。而對原子磁強計進行芯片化的核心就是解決芯片集成原子磁強計中光子學操控與耦合的問題，這是一項微納光子學、芯片集成納米制造和量子精密測量多學科交叉的卡脖子問題。

為解決這一技術難題，葉茂申請了自然科學基金青年科學基金項目“芯片化原子磁強計中集成光子學操控與耦合問題的研究”。在項目研究中，他將探索芯片級微小型原子磁強計中的精準光學操控方法、光/量子耦合機制，在此基礎之上開發用于芯片化原子磁強計的集成光子學操控與耦合方案，最后結合微型原子系綜進行集成光/量子耦合極弱磁測量實驗，以期為實現芯片集成原子磁強計從無到有的突破奠定基礎。

芯片集成原子磁強計中光子學操控與耦合問題的解決，是突破現有瓶頸，開發高精度、陣列式、集成化精密量子測量系統的第一步，更是實現國家“十四五”規劃綱要提出迫切需求的高分辨腦磁成像、深海/深地磁探測，以及芯片化量子測量系統所要解決的核心問題。

葉茂制造的線偏振響應超構透鏡

葉茂制造的可設計聚焦結構超構透鏡

在更加貼近人們生活的應用方面，葉茂也提道：“舉個例子，我們的手機里面有陀螺儀傳感器，雖然對于人們的生活已經夠用了，但是其實還沒有到很理想的狀態。如果把量子陀螺儀做到芯片化，那手機的導航定位會更加靈敏和精確。目前，大部分自動駕駛系統依靠激光雷達作為核心測距傳感器，但現在的雷達還是比較大，只能放在車頂，如果做到芯片化，不但可以減小體積，更重要的是降低成本，這樣一輛車上可以安裝多個不同維度掃描的芯片集成激光雷達，從而使自動駕駛更加精確和安全。”

目前，相關的工作正在有序進行當中。葉茂表示，飯要一口一口吃，路也要一步一步走。制造中國自己的芯片不是一蹴而就的，但他愿意為了這個目標不懈努力。

除此之外，葉茂以全美頂級的芯片集成超凈間實驗室勞瑞納米加工技術實驗室為模板，致力于建造芯片集成超凈間實驗室體系。芯片集成超凈間實驗室是微結構微系統方向重要的實驗制造平臺，它對未來整個電子、電氣、機械、材料、生物和光學等學科可以起到重要的支撐作用。不過，平臺的建設是一個長期的項目，初期的目標是以建設百級的超凈間和氣體凈化內循環體系，人員管理和使用體系為主。5年的預期目標是可以在實驗室里自行制造超越我國目前工業芯片精度的納米結構。

“回國后，我發現國內的芯片發展已經熱了。如雨后春筍般，很多制造芯片的實驗室也都搭建起來了。但是，相對的，國內缺少專業的設備調試、維護及工藝開發等相關人才。”雖然實驗室的建設已經提上日程，但在前期的研究當中，葉茂提出暫時使用國內建設的公共納米制造平臺。他說：“因為國家在建造芯片制造實驗室方面已經花了很多錢了，我們要充分地利用好它們。相比于歐美一些成熟實驗室，它們可能沒有足夠的工藝積累，但設備還是很好的。我們可以進行合作，利用海外的工藝經驗一起開展研究攻關，提升精度，達到一個利益最大化。”

同時，葉茂也表示，為了技術的自主可控，肯定要建立自己的實驗室，但是在這之前，首先要培養或引進一批相關的人才，等搭建好成熟的人才儲備與管理體系，才能更好地助力實驗平臺的建設。

在北京航空航天大學，葉茂擬開設全英文芯片集成納米制造課程。這門課程目前在國內學校還比較少見，即便在美國，也只有條件優秀的幾所大學開設了。然而整個工業界對于電子和光學器件的趨勢都在往小型化、微型化方面發展，因此芯片集成納米制造技術不光是用來制造芯片，更是制造多種功能的新型納米結構/器件的必經之路。這項技術在未來必然會越來越普及。依托在美國教授這門課程的經驗，葉茂希望通過開設這門課程，使國內學生更加了解這項技術，為我國培養更多的芯片集成納米制造方面的人才。

對于自己的學生，葉茂有著自己的要求和期望。一是，他希望學生擁有一顆強大的內心，不能因為研究工作難而回避，甚至放棄，要有百折不撓的精神；二是，他希望學生可以將研究的過程變快樂一點，去享受科研的過程。“經驗是最寶貴的財富，哪怕這個事情你最終沒有做出來，但是過程中已經積累了很多寶貴經驗。如果你不去嘗試，不去探索，怎么可能會獲得經驗呢？我還是那句話，有問題解決問題，不要去逃避，不要放棄，要有把它干成的精神。”

打籃球，學習吉他，跟著短視頻練就一手好廚藝……工作之余的葉茂也很認真地在生活。無論是工作，還是生活，他保持著自己的節奏，不驕不躁。對于未來，葉茂不做過多設想，也不會因為未知而焦慮，于他而言，唯一明確要做的事情，就是把握當下、拼搏努力，全身心投入到自己熱愛的科研事業里。

葉茂制造的芯片集成激光雷達光學相控陣

葉茂制造的氮化硅超構透鏡

葉茂制造的可設計聚焦結構超構透鏡