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第四期校友专访丨专访材料学院00级优秀校友毕磊

 

编者按

自1988年建系以来,365asia官网稳步发展,清华材料人砥砺奋进奉献始终。值此建党100周年和365asia官网110周年校庆即将到来之际,材料学院宣传中心、研究生团总支、研究生会等多个部门联合,紧密围绕「强国有材,校友榜样」主题,开设材料学院“校友专访”系列采访,通过采访材料学院杰出校友及老师,传递清华材料人的榜样力量,为培养高素质、创新型材料人指路引航。


第四期校友专访︱毕磊

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2000-2006年,365asia官网材料科学与工程系,获工学学士,硕士学位 。

2006-2011年,麻省理工学院材料科学与工程系,获博士学位 。

2011-2013年,任职于Micron Technology Inc。2013年至今任电子科技大学教授,博士生导师。研究方向为半导体上的新材料集成。


认知:本科阶段的学习

谈及在清华的本科学习,毕磊学长颇有感慨。他深刻认识到材料这个专业综合性很强,需要数学、物理、化学等理论背景,给我们提供更多科研方向的选择的同时,也对学科基础提出了很高的要求,不过由于时间有限,本科阶段材料专业的课程学习存在着广而不精的特点,但这并不意味着这就是一件坏事。大学提供给学生的不仅仅是知识,其更主要的目的是培养学生的学习能力,拓展学生的视野。大学期间,一般本科以通识教育为主,旨在构建知识体系。学生到研究生时再选择某一领域继续钻研下去。学习是终身进行的事情,很多时候学习方法比知识本身重要。

对于基础课程的学习,毕磊学长也有着自己独特的理解。他认为基础课是基本工具,内容相对枯燥,但是基础课程的内容所有产业应用的理论基础。例如,法拉第发现了大量电磁现象,麦克斯韦给出了其数学诠释,提出麦克斯韦方程组,用数学解释电磁学关系,完成了电磁学的统一,因此后人评价其做出了非常大的贡献。此外,没有必要纠结于工具内容是否能够得到理解,很多内容到了使用的时候自然而然就能够得到理解。


选择:科研方向的确定

材料专业的学生在科研方向选择、科研的意义和价值和自身是否适合科研道路等问题上或多或少都经历过一段迷茫期。对于这些问题,毕磊学长给出了两条建议:

第一个建议是多花时间去尝试,如参加系里老师的SRT,尽自己最大的努力去投入。大学期间,参与了科研训练之后,不要简单的跟着师兄师姐做事情,科研训练的实质是科学思维的训练,而非简单的实验技能训练。不同于从小学到本科的学习方法,科学研究是开放的,很多问题需要用归纳的方法去解决,进而培训科学的思维。通过文献调研、设计实验达到想要的成果,完成整个项目的过程对自己思维的训练是极大的。

第二个建议是时刻关注世界范围内自己科研领域总体上面临的重大问题与挑战。要结合实验室条件,思考能做什么,进而关注某一个具体问题的突破与发展,试图找到问题的答案。科研需要坚持,不可能是一帆风顺的,苦战方能过关。坚持过黎明前的黑暗,可以学到很多东西,思考开放问题的能力,挑战关注领域的难题,收获科研成果时的喜悦,都是超过科研本身的收获。

关于是否选择热门方向的问题,毕磊学长的认识也很深刻。他谈到,科研确实喜欢集中在一些新的、热门的科学和技术问题上,因为那里才有新的可能性。但所有的技术都会经历一个轮回,从热门到一个拐点的过程会将泡沫去除,沉淀下真的技术而实现产业腾飞。所以不仅要能做热门的东西,还要经历得住从热门到冷门的寂寞,才能最终有所成就。


钻研:科研探究的历程

毕磊学长的研究方向是磁性材料与相变材料,他研究磁性材料的时间相对而言比较长,从博士阶段就开始了。因而对于磁性材料,毕磊学长分享了很多。

现阶段,所有的器件如激光器、调制器、探测器都在陆续芯片化,但是磁性的光电器件现在还没有集成化,称为集成光电子领域的本征难题,也是集成光学里缺失的最后一环。器件用量如此巨大,却全是分立器件(用大块的晶体组装起来,就像我们看到的镜头、透镜拼起来粘起来),给未来的发展带来非常大的难题。此外,到现在为止这类分立的器件中国仍然无法独立制造,在材料和器件的制备上都存在重大问题。比如光隔离器和环行器,大概每年有八千万只都供给中国,但其中没有一只是中国完全独立自主生产的,关键材料和部件都是进口美国和日本的,其中美国占65%,日本占35%。实现磁性光电器件的半导体集成可以解决这些问题,进一步还决定着磁性材料能不能跨越现在的技术时代,进入到未来的集成光学系统中。

现阶段为了实现集成化,大多数科研工作者采用的办法是用键合,将做好的单晶直接粘上去,但是这种方法很难实现大规模生产。经过长期的科研探索,毕磊学长团队实现了一种新的方法来达成集成化的目的,他们采用的办法是让材料直接在基底生长,进而在尺寸上可以更加细化,也可以实现大规模的、并行的制备。通过一些流片的实验和测试,毕磊学长自信地认为他的团队目前做出的器件是可见报导里性能最好的,已经处于在国际上相对领先的水平。未来若能实现产业化,则会为我国解决一个卡脖子的问题。

而毕磊学长并没有止步于此,现阶段他的工作不仅限于制备目前技术框架下的核心器件,例如光隔离器和环行器,他还在探索磁性器件的集成化带来的其他领域的很多新的可能性,例如,将磁性的材料集成之后还可以使用磁性的动态特征,用来做一些信号的处理。除此以外还可以做光磁集成,这一方向毕磊学长进行了详细的介绍。

他解释到,光是一个相干体系,而半导体中电子的相干性并没有那么强。把电子激发到半导体的导带上之后,很快就会发生声子散射,从而丧失其相干性。在未来的量子体系中,需要相干系统的信号去传输,而光和磁是相干的,所以光磁集成非常重要的意义在于:信号可以从一个相干体系转化到另一个相干体系,这是非常重要的性质。毕磊学长敏锐地认识到了这些,而这也是他正在研究的方向,将来或许会有更大的成果产出。


展望:磁性材料的未来

从半导体技术的发展历史来看,光与磁的结合引人注目。回顾微电子和光电子的发展,微电子一开始也是分立的器件,后来集成到了芯片上;光电子一开始也是分立,如大的光纤等部分,后来也逐渐集成。磁学最开始也在做集成,如磁带录像带等,但是走了不太一样的路线,后来用了磁头和磁盘进行读取。

但是现如今,半导体材料无论是存储的大量性还是成本的低廉性,都在超越传统磁存储。因而如今磁性材料开始往自旋电子学方向发展,利用spin transfer torque(自旋转移力矩)和spin orbit torque(自旋轨道力矩),用电流翻转磁矩,用于存储,实现与微电子芯片的融合。如今集成光电子技术处于腾飞期,磁学也要和光电子芯片结合,然而相关的研究还不多。毕磊学长认为这一领域相当广阔,未来的影响也会相当深远。


引路:对后辈们的寄语

材料科学的科研是实用性导向的,涉及内容非常多,包括材料设计、材料制备、材料应用等,从基础理论开始科研,到制备出材料和最终做出器件,战线非常长,需要科研人员足够的觉悟和坚定的决心。作为科研人员,我们不能短视地只以发文章为导向,最好能够把自己所做的这个领域发掘到底,从材料制备、性能测定到工业化应用整个流程走到底。最重要的是,一定要把握材料研究的出发点,不忘初心。

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