吳江濱，男，1990年生。博士，研究員，中國科學院半導體研究所博士生導師。 

教育及工作經歷:

2012年畢業于華中科技大學電子科學與技術系，

2017年在中國科學院半導體研究所獲得博士學位，

2017-2023年在美國南加州大學任博士后，

2023年加入中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室，任研究員。  

主要研究領域方向：

1. 新型低維材料的光電特性及其調控

2. 基于新型低維材料的半導體器件

主要學術成就：

致力于認知新型低維材料物性，提出基于此的新器件類型和工作機理，獲得優異的性能：

1. 針對用于存算一體架構的RRAM（電阻式隨機存儲器）難以高精度編程的問題，采用原位導電通道觀測技術，闡明了隨機電報噪聲對器件精度的影響機制，并提出噪聲抑制的電氣操作協議，實現多達2048個阻態的工業級RRAM陣列，使其向商用化應用邁進一大步。

2. 針對隧穿型憶阻器（鐵電隧道結）無法兼顧硅工藝兼容性和大開關比的問題，研究了范德華異質結莫爾界面對層間耦合的影響，提出硅工藝兼容的半金屬接觸的范德華鐵電隧道結，實現了高達10的7次方的開關比，為其在存算一體架構中的應用掃除一大障礙。

3. 針對感算一體架構對傳感器可調控性的要求，研究了偏振、波長和磁性等調控元素對低維材料光響應的影響，開發了對偏振和波長敏感的中紅外探測器，為其在感算一體架構的應用貢獻新的思路。

以一作和通訊作者在 Nature, Nature Electronics, Nature Communications, Chemical Society Reviews, Advanced Materials (2篇), ACS Nano(4篇), Nano Letters (2篇)和IEDM等一流期刊或微電子頂級會議發表文章20篇，被引用超過7000次， H-index為32（谷歌學術），申請和獲批專利多項。獲得2018年中國科學院優秀博士論文和2016年中國科學院院長獎（優秀獎）等。

 吳江濱同學在博士學習期間，學習刻苦，勤奮鉆研，以第一作者發表論文10余篇，總影響因子超過140，所發表學術論文SCI總引用已經超過700次。他以第一作者身份發表在《Nat. Commun.》的關于轉角多層石墨烯共振拉曼光譜的論文已經成為本領域的重要文獻。他以第一作者身份的關于石墨烯拉曼光譜及其器件應用的綜述論文發表在國際權威期刊《Chem. Soc. Rev.》上。所發表多篇論文的原始數據圖也被多篇綜述性論文直接引用并大段論述。

 

1、榮獲中科院院長獎

2、中科院朱李月華優秀博士生獎

3、榮獲博士研究生國家獎學金

4、榮獲中科院半導體所所長獎學金等獎勵。

專注低維材料 奏響科研新歌

——中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室研究員吳江濱

 2024-05-11　

 

自人類誕生以來，如何憑借有限的空間和能源延續自身文明并實現可持續發展，一直是人類命運共同體所面臨的首要挑戰，以解放和發展生產力為目的的技術革新無疑為破解這一難題提供了強勁的動力。特別是人類進入工業時代以來，以蒸汽機為代表的第一次工業革命、以電力為代表的第二次工業革命和以信息技術為代表的第三次工業革命，都將重點投射于對物質更深層次、更精妙的理解上，而幾乎與第三次工業革命同時興起的半導體相關研究，也依照這樣的規律，以“更小、更快、更節能”的方式進行迭代，不斷地為人類帶來新的可能和機遇。

時至今日，半導體技術的應用已經滲透到各個領域。與此同時，隨著器件小型化的不斷發展和集成度的不斷提高，傳統的硅基半導體器件已經逼近極限尺寸，一系列由于器件工作原理和工藝技術本身的物理限制而產生的難題，將成為相關研究及行業發展難以突破的上限。就在此時，隨著實驗制備工藝和合成技術的發展，面向更低維度、更小尺度特質的低維材料應運而生，并以其獨特結構和優異性質，使人類借助它研發更高效器件和更新功能成為可能。有關低維半導體材料的研究吸引了越來越多相關科研工作者的關注，而中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室研究員吳江濱就是其中之一。 

點亮專注科研的星火 

2008年，出身于福建農村、抱著“走出家鄉看一看”想法的吳江濱，頭一次聽說了華中科技大學的名字。彼時的他，對這所遠方的學校知之甚少，對自己即將進入的光學與電子信息學院幾乎是“一無所知”。“這個專業到底是學什么的？又能做什么？”懷揣這樣的問題，吳江濱甫一入校，就展現出旺盛的求知欲，與老師同學交流心得、啟發靈感更成了他經常做的事。這份勤勉與執著，撫平了他曾經因“無知”而產生的迷茫情緒，也讓他在大一下學期時即獲得了進入江建軍教授和繆靈教授所主持的計算材料與測試模擬中心（CCMS）實驗室參與科研工作的機會。

從最基礎的原理入手，吳江濱一步步接觸到人工智能算法（人工神經網絡）和仿生算法（遺傳算法）的相關研究；隨著專業知識的積累和科研視野的開闊，他的研究重心也逐漸從算法轉向材料和器件。“大三的時候，我初次接觸了以石墨烯為代表的低維材料，并對其物理性質展開了第一性原理的計算工作。在更多了解了低維材料的特性后，我開始嘗試在研究中回答‘如何將石墨烯等力學性能優良的材料和電化學性能優異的材料結合在一起，用于鋰電池的負極，以改善其使用壽命’的具體命題。”

所謂低維材料，是指至少在一個維度上尺寸處于納米尺度的材料，主要包括零維、一維和二維結構，以及以低維結構為基本單元構筑的復合結構、組裝體和功能器件。“在宏觀的材料體系中，常規材料往往具有3個空間維度，即x軸、y軸、z軸。而當將其中一個維度降低到無限接近于零的原子尺度，我們就認為這個維度已經‘消失’了，由此誕生的就是低維材料中的二維材料。以此類推，一維材料就是同時縮減兩個維度，而零維材料則是同時縮減3個維度。”吳江濱解釋道。在與低維材料“打交道”的過程中，其極高的表面積、強烈的量子限制效應和優異的電學、光學、熱學性質，以及基于這些特性所展現出的廣闊前景，深深吸引了這個醉心科研的年輕人；而在一系列基礎性研究中斬獲的成果，也讓他堅定了繼續在科研路上走下去的信心。

站在當下回看自己科研生涯的起點，吳江濱頗為感慨。這段“很早就接觸科研、在實驗室環境中獲得了一系列專業培訓”的經歷，不僅見證了他與低維材料、第一性原理、人工智能算法等研究領域的“相識”“相知”的科研經歷，更重要的是讓他充分了解了科學研究的范式——“從那時候起，我明白了科學研究是怎么回事，從如何查找文獻去了解一個領域，到如何去尋找這個領域中的科學問題，再到如何運用自己所掌握知識和方法，通過不斷地實驗，改進方法和模型，去解決上述問題。”“知其然，知其所以然”的吳江濱，也在本科階段即嶄露頭角，憑借兩篇國際會議論文、兩篇期刊論文的亮眼成績取得了保送到中國科學院攻讀碩博連讀生的資格。基于自身對低維材料強烈的科研興趣，在聯系導師時，他義無反顧地選擇了在低維材料光譜研究方面頗有建樹的譚平恒研究員，而他的科研生涯也就此掀開全新的一頁。 

全力探索創新的閃光 

在吳江濱進入中國科學院半導體研究所學習的2012年，“低維材料迎來增長爆發期”的說法也正在一步步變為現實。而此時的吳江濱尚未有“生逢其時”的實感，從本科階段改善型的科研實踐，到碩博階段開拓型的科研攻關，他度過了一段難挨的探索時光。

“如果說本科時還能‘摸著石頭過河’；到了半導體研究所以后，我最初的科研嘗試可謂是‘一問三不知’——不知道要研究的‘主角’是什么、不知道要用什么方法驗證、更不知道最終的結果是否正確，一切都要依據自己所學的知識慢慢探索，大膽假設，反復求證。”吳江濱回憶道，“但科學研究的第一要義是創新性，經過一次次探索、最終證明了結論是正確的瞬間，是收獲最多的瞬間，也是讓我感受到真正為這個領域作出了一些貢獻的瞬間。”就這樣，扎實的基礎鑄成他朝著更加精深方向求索的階梯，積極的態度更催生了探索新領域的不竭動力。在完成了一些有關二維材料光譜方面的研究后，吳江濱以更篤定的心態，開始找尋低維材料在“增長爆發期”中的熠熠光點。

2012年，低維材料領域出現了兩個主要趨勢：其一是“由一到多”，行業的研究重心從專注石墨烯轉為石墨烯和以二硫化鉬為代表的過渡金屬硫化物材料上；其二就是一個重要創新方向——二維范德華異質結的提出。“由于二維材料的層間都是范德華相互作用，因此它們可以像堆樂高一樣，把不同性質的材料堆疊起來，形成一個性能能夠按需訂制的范德華異質結，從而以取長補短的形式賦予這一材料更多功能。而在堆疊過程中，不同石墨烯片層取向隨機的多層石墨烯會形成轉角，這可能會對其能帶結構和界面的力學性質產生影響，進而產生新奇的器件應用。”譚平恒和吳江濱幸運地在大熱的研究領域中發現了難得的“空白地”，師生二人當機立斷，就此展開以“轉角多層石墨烯為代表的范德華異質結中的界面層間力學耦合”為主題的相關研究。

通過譚平恒研究組自主開發的低波數共振拉曼光譜技術，吳江濱全力參與到對轉角多層石墨烯層間耦合模式的系統研究中。“我們發現，轉角多層石墨烯界面處的層間呼吸耦合與正常Bernal堆垛多層石墨烯的強度相當；而依據層間剪切耦合計算，后者在轉角多層石墨烯界面處的層間剪切耦合應減弱到正常Bernal堆垛多層石墨烯的20%。是什么原因導致了這樣的差異？”通過第一性原理的計算，他們得出了一個經得起驗證的結論：轉角多層石墨烯界面處的對稱性破缺，是導致其剪切模和呼吸模表現出不同行為的主要原因。同時他們的進一步研究還發現，過去只考慮最近鄰相互作用的單原子鏈模型已無法正確描述多層石墨烯的呼吸模頻率隨其層數的變化關系；而加入次近鄰層間呼吸耦合，則可解釋實驗觀察到的轉角多層石墨烯的層間呼吸模頻率，并擬合得到多層石墨烯的次近鄰層間呼吸耦合為最近鄰的9%。這一成果是在范德瓦爾斯二維晶體材料中第一次觀察到這種次近鄰的層間呼吸耦合，基于這一成果，研究者可通過觀察層間剪切模來探測轉角多層石墨烯中各Bernal堆垛子系統的層數，同時用層間呼吸模來探測其總的層數。后續他們還將這個結論推廣到了石墨烯和二硫化鉬等其他范德華異質結中。

從現象中磨礪提煉出“不同于教科書”的新結論、完善了對范德華異質結界面耦合的理解后，在導師鼓勵下經常參與交流合作活動的吳江濱，敏銳地抓住了“低維材料器件走向應用”的風口，而他涵蓋半導體、物理、數學等多個領域的研究經歷和卓越的科研成果，也為他贏得了赴美國南加州大學電子工程系開展博士后研究的機會。 

夯實低維材料發展的基石 

在博士后導師汪涵（Han Wang）教授的帶領下，遠赴異國的吳江濱很快找到了新的科研錨點——基于性能獨特的新興材料和納米技術，他決心在開發新型半導體電子和光子器件層面投注更多心血。“這是一項高度交叉的研究工作，涉及從基礎研究到先進電子和光子應用的全領域，以提升現有電子和光子器件性能為目標，發明具有全新功能的半導體納米器件，是我們團隊上下共同的奮斗目標。”但在行業快速發展的背景下，吳江濱卻并不冒進，他選擇從根本入手，在提出先進半導體器件的機理的基礎上不斷提升器件的性能、幫助它更好發揮作用，成了他為之奮斗的新方向。

從先前的研究成果出發，基于上述對二維材料界面耦合的理解，吳江濱提出了基于石墨烯/銅銦磷硫（CIPS）/鉻（Cr）的范德華異質結的超高隧穿電阻比的調控機理。其中，由二維室溫鐵電體CIPS構造的范德華異質結為半金屬－鐵電體－金屬結構的范德華鐵電隧穿結，其工作原理特別是勢壘高度差的調控機制明顯區別于傳統的半導體接觸的鐵電隧道結。具體表現是，當CIPS中的鐵電極化方向朝向石墨烯時，石墨烯為n型摻雜，此時勢壘很低，隧穿結處于開態；而當CIPS中的鐵電極化方向朝向鉻時，石墨烯為p型摻雜，此時勢壘很高，隧穿結處于關態。“這個過程就像一個開合開關的過程。”吳江濱形象地解釋道，“因為石墨烯在狄拉克點附近的態密度很小（即半金屬特性），在鐵電極化翻轉的時候，能引起高達1電子伏特（eV）的勢壘高度差，遠高于傳統的鐵電隧穿結（約0.1eV），從而導致很大的隧穿電阻比。而先前的鐵電隧穿結則大部分由鈣鈦礦型鐵電體和氧化物型鐵電體組成，會不同程度地出現與傳統硅工藝難以兼容或隧穿電阻比較低的問題，這極大限制了相關器件的應用前景。而我們所提出的范德華鐵電隧穿結，正是兼顧了硅工藝兼容性和高隧穿電阻比的具體需求，這也使它成為下一代高性能非易失性存儲器的理想選擇之一。”

此外，在與楊建華教授關于憶阻器的合作中，吳江濱同樣從機理入手，用“降噪”的模式突破憶阻器精度，攻克了AI芯片存儲能力不足的難題。“憶阻器，也叫存算一體的人工突觸，可以把它理解為人腦中的神經元。由憶阻器組成的人工神經網絡可以顯著地改善人工智能的數據吞吐量和能耗，而想要高效完成對這樣的人工神經網絡的訓練，無疑對器件的高精度編程能力（足夠多的可被區分的阻態）提出了極高的要求。但當時憶阻器的阻態數量都少于200個，這成為憶阻器進一步應用的巨大障礙。”面對如何提升憶阻器精度的實際難題，吳江濱借助原位的導電原子力顯微鏡研究，在具有工業標準的256×256憶阻器（RRAM）陣列上，發現了器件中的寄生于主導電通道的微弱“副通道”。“‘副通道’所帶來的隨機電報噪聲，是限制RRAM達到更多可區分阻態的關鍵，而通過新的電氣操作協議來消除這些噪聲，就可以順利破解過去精度不足的難題，從而為高精度RRAM走向不同應用場景并最終實現商用化提供可能。”吳江濱解釋道。帶著這份具有突破性并成功發表于《自然》（Nature）的成果，他踏上了回國的飛機，并以研究員的身份再一次回到培養自己的中國科學院半導體研究所，加入半導體超晶格國家重點實驗室。

“正如習總書記所說，我國目前很多的技術問題，根子是基礎理論研究跟不上；而我的研究經歷也清楚地告訴我，半導體物理是一切半導體技術的源頭和底層。作為我國半導體物理領域唯一的國家重點實驗室，半導體超晶格國家重點實驗室承擔著從根本上提升我國科技高水平自立自強發展的重要任務。而我也將盡我所能，在這里作出新的貢獻。”提及未來，吳江濱堅定地說道。

       來源：科學中國人 2024年第4期 創新之路