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“千人专家”宁存政:静水深流 澎湃光电“芯”

来源:科技日报 作者:马爱平 2017-08-09 11:56:43
内容摘要: 拥有如此深厚的学术背景和显赫的学术成就,然而宁存政依然保持着谦逊平和的心态,向上、向前、向深,静水深流。

宁存政在科学中国人2016年度人物颁奖现场。

宁存政(右前一)和他的学生及年轻老师在实验室。

  7月17日,宁存政课题组同日在《自然》杂志的两个子刊《自然·光子学》(Nature Photonics)和《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表了最新的实验结果。这再次引起了科技界的广泛关注,国内外媒体采访接踵而来!

  纵观宁存政的科研履历,令人由衷敬佩。一路走来,凭借努力、勤奋,他的成绩和成就颇为优秀和突出,甚至有几项物理现象和理论以他的名字命名,如Ning-Haken几何位相理论,他的名字也与多项世界第一联系在一起:第一个红外波段的纳米线激光器、第一个单片连续可调谐的激光及调谐范围的世界纪录、第一个四元合金的纳米材料、第一个单体红绿双色激光、第一个亚衍射极限尺寸的电注入激光等。

  拥有如此深厚的学术背景和显赫的学术成就,然而宁存政依然保持着谦逊平和的心态,向上、向前、向深,静水深流。

  深耕纳米激光技术著作等身

  物理现象和理论以他名字命名


  闻听荣获“科学中国人”2016年度人物电子工程领域提名,“千人计划”专家、清华大学电子工程系教授宁存政还在欧洲出差,他倍感荣幸和感激。

  科学中国人写下了这样的提名理由:

  “宁存政在半导体光电子等研究领域,特别是纳米激光及纳米线光电材料方面,作出了一系列重大发现、发明及开拓性贡献,是国际上公认的纳米半导体激光领域开拓者之一。

  首次提出用金属—半导体核壳结构作为激光小型化的方案,从而根本突破衍射极限,为激光器尺寸的小型化另辟新径;制成了世界上第一个尺度小于衍射极限的电注入激光器,并首次实现电注入下的室温运转。

  在半导体合金纳米线及多色激光方面作出了多项开创性贡献,发明并实现了世界上第一个白光激光器,获美国重要科技杂志《Popular Science》2015年工程类十大发明奖。先后获美国航天航空总署纳米技术研究组奖、CSC年度最高杰出技术奖,两次获得美国航天总署空间技术专利奖,两次获得IEEE光子学会杰出讲师奖等。

  系美国光学学会会士,国际电子工程师学会会士,及国际电磁研究院会士。”

  这就是好学、爱钻研,矢志创新的宁存政。他热爱科学研究,他的研究世界,和“小”,“极小”相关,这个“小”的级别聚焦在纳米尺度。

  纳米尺度上的激光器和光放大器是未来芯片上光电集成的核心器件,对未来超级计算机和“片上数据中心”等信息技术至关重要。如能将这些纳米级器件以高效率低能耗的方式集成在硅基衬底上,将会引致片上光互连的革命性发展,因而成为近几十年来世界科技界关注的焦点之一。

  宁存政长期跟踪这一国际前沿。1986年,他去德国跟随世界著名学者哈肯(Haken)攻读博士学位,从那时开始,就一直从事于量子光学,激光物理等方面的研究,至今已有31年。

  1991年,宁存政在德国斯图加特大学拿到博士学位后,继续留下做哈肯教授的研究助理。1994年起,在美国亚利桑那大学进行博士后研究,后任研究助理教授。

  1997年,他开始在美国国家航空航天总署AMES研究中心任资深科学家,创建并负责纳米光学研究组,后任纳米技术总项目负责人至2007年。其间在2006年任日本东京大学固体物理研究所ISSP访问教授。

  2006年起,宁存政任美国亚利桑那州立大学电机系终身教授。2013年,他开始在德国柏林工大,清华大学等作为高级访问学者或访问教授。2012年入选中国国家“千人计划”。

  宁存政从事半导体光电子学研究已有数十年,研究领域涉及纳米半导体的物理及光学过程,多体相互作用,器件物理,及器件应用等方面的理论和实验研究。他的口号是,将纳米尺度上最前沿的物理现象转化为最新的纳米光电子器件。

  2015年,宁存政的科研成果“白色激光”入选《Popular Science》杂志年度的“The Greatest Tech of The Year”(工程类的十佳之一)。

  《Popular Science》 是著名的报道通俗科学的月刊,是世界上最大的科技期刊之一。“The Greatest Tech of the Year”是该杂志在世界范围内评选的本年度科技产品和创新的最高奖项,已经持续了28年。这项评选是从全世界数千个当年的新产品或新技术中评选出“杰出的、革命性的、肯定能改变未来的发明创新”。

  该杂志主编 Cliff Ransom表示,“The Greatest Tech of The Year”是奖励那些让人意想不到、那些对我们关于未来可能性提出挑战的发明,这些从数千项提名中胜出的获奖成果,每一个都是它们领域的革命。

  宁存政的获奖成果“白色激光”,是基于三原色合成白色的原理,首次在单一纳米半导体薄膜上一次生长出可以支持三原色同时激光运转的异质结构,从而可产生出任何可见光和白光。

  由于是首次在一个器件上同时实现了“单一波长的激光”和“白光”这两个传统观念上看来自相矛盾的两个特性,该成果在Nature Nanotechnology (《自然—纳米技术》)杂志上发表后,引起很大关注,得到包括德国《明镜周刊》等世界几十家媒体的大量报道。这种新型激光在新型高效固体照明、未来激光显示、可见光通信和多色荧光探测等方面有着诱人的应用前景。

  迄今为止,他已担任IEEE量子电子学杂志的副编辑(Associate Editor),美国光学杂志(JOSA-B)及光学快讯的特邀编辑,美国光学学会,IEEE光子学会,SPIE等会议的组委会主席或委员,以及包括诺贝尔奖获得者冯·克利青在内的斯普林格纳米科学和技术系列丛书的六人编委之一。2006—2009年间,他曾获得IEEE光子学会杰出讲师奖。

  如今,宁存政已经在国际杂志上发表180多篇文章,在国际学术机构及大会作邀请报告180多次。

  纳米激光技术领域开拓性人物

  带领团队冲锋陷阵屡屡取得重大突破

  “宁老师研究半导体发光物理、纳米光子学、器件极端微型化制作及表征,曾在世界上首次制成尺寸小于半波长的电注入纳米激光器,并首次实现了电注入金属腔纳米激光器的室温连续模运转,是纳米激光技术领域的开拓型领军人物。”宁存政的同事说。

  这并非虚言。多年来,宁存政专注开发纳米激光器和具有高光学增益的光放大器新材料,最近同时在这两方面取得重大突破。

  多年来,宁存政开拓进取,他带领着课题组在微纳光电子材料器件的物理及应用研究前沿中追寻,不断突破激光器和光放大器尺寸小型化极限,为光电集成及其在未来计算机芯片上的应用进行探索。

  “我鼓励我的团队和学生一定要瞄准国际前沿,做最新的事。要脚踏实地、刻苦努力,摒弃浮躁,永不放弃。”宁存政说。他是这么想的也是这么做的。

  此次,宁存政团队以助理研究员李永卓为第一作者在《自然·纳米技术》上发表的“基于单层二碲化钼和硅纳米臂腔的室温连续模纳米激光”,首次报道了室温下连续模运转的基于二维材料的纳米激光器。这种只有单层分子厚度的二维半导体材料受到许多领域的高度重视,二维材料凭借其独特的激子发光机制为纳米激光提供了最薄的光学增益材料。

  两年前,美国科学家在可见光波段实现了低温下运转的激光激射,但室温运转一直没有实现,这让宁存政非常兴奋,他认为在此领域深耕就能有所突破。

  宁存政领导的课题组结合多年来开展的纳米激光研究经验,利用厚度只有0.7纳米的单层二碲化钼作为增益材料,以一个宽度仅300多纳米、厚度200多纳米的硅纳米臂腔作为激光器谐振腔。

  在上述二维材料中,电子和空穴的结合能非常高,即使在室温下也可形成稳定的激子态,具有较高的发光效率。硅基纳米臂腔具有超高的品质因子,而二碲化钼的激子发射波长在硅材料内几乎没有吸收。因而,二维材料和硅基纳米臂腔代表着“强—强”结合。

  宁存政带领青年教师李永卓及博士生章建行等人攻克了一系列困难,终于在世界上首次实现了二维材料纳米激光的室温运转。

  纳米激光器研究对基础研究和实际应用都有重要意义。首先,二维材料作为最薄的光学增益材料,已被证明可以支持低温下的激光运转,但是这种单层分子材料是否足以支持室温下的激光运转,在学术界尚存疑虑。室温运转是绝大部分激光实际应用的前提,因而新型激光的室温运转在半导体激光发展史上具有指标性意义。

  另外,由于二维材料中极强的库伦相互作用,电子和空穴总是以激子态出现,因而这种激光实际上与一种新型的激子极化激元的玻色—爱因斯坦凝聚密切相关,是基础物理领域目前最为活跃的课题之一。

  同时,宁存政课题组以助理研究员孙皓为第一作者发表在《自然·光子学》杂志的长文“单晶铒氯硅酸盐纳米线中的超高光学增益”,首次报道了在单根铒化合物纳米线波导中实现大于每厘米100分贝的光学净增益。该研究成果突破了传统掺铒材料中增益仅为每厘米几个分贝的限制,为在硅基光电集成芯片上实现纳米尺度的高增益光放大器奠定了重要基础。

  掺铒光纤放大器是全光网络和信息高速传递系统中的关键器件。然而在典型的掺铒材料中由于铒离子浓度太低,使得每厘米的光学增益仅为几个分贝。因此,基于掺铒材料的激光器和放大器由于尺寸过大,无法用于未来光子芯片上的系统集成。

  近几十年来,人们一直试图另辟蹊径,转而研究含铒浓度很高的铒化合物,但一直未能实现净增益。如何将这种长距离光通信中的技术典范拓展到光子集成领域,是亟待解决的重大课题。

  近年来,宁存政研究组成功研制出一种新型单晶铒化合物纳米线,同时满足高含铒浓度和良好结晶质量的条件。

  宁存政带领博士生殷雷俊、刘志程及青年教师孙皓等人经过几年的不懈努力,最终获得近乎无缺陷的具有单晶结晶质量的纳米线,进而成功攻克了亚微米尺度下单根纳米线波导精准测试的诸多瓶颈难点,首次在单根纳米线上准确测量了该材料的本征吸收系数,最终获得超过每厘米100分贝的光学净增益,远高于其他含铒材料的增益值。

  这一研究结果对微纳结构材料的基础物理特性研究和器件应用有着重要意义。也对在量子信息、太阳能电池、固体照明、生物荧光标记等领域有重要的应用。

  “以上两项研究的另一重大意义在于硅基光电子集成和未来计算机芯片。众所周知,硅是微电子技术的基础,也是未来光电集成的极可能的基底材料。但由于硅是一个效率极低的发光材料,所以未来光电集成芯片中需要将其他发光材料与硅衬底集成,而这种集成也是近几十年来光电集成中悬而未决的难题。而最终实现光电集成的芯片也是我的梦想。”宁存政说。

  通常做法是将发光效率高的Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体与硅粘合在一起。而厚度达几百或上千纳米、与硅的性能差别极大的Ⅲ—Ⅴ材料,极易损伤或产生缺陷。与此相比,二维材料或纳米线结构由于极小或极薄的尺寸极具弹性,不会由于应力或晶格失配引起任何损伤或性能降低,为未来硅基光电集成提供了一个新的思路。

  儿时读书的艰辛、少年逆境求学的努力,几十年纵横全球的奋斗,让宁存政如今以更宽广的心胸、更辽阔的视野在纳米光电子领域继续前行,对他而言,始终未变的是,瞄准前沿,永不放弃,他谦逊沉静的外表下澎湃着一颗光电“芯”。

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