新科院士彭练矛:国产碳芯片发展的领军人

编者按:11月22日,中国科学院、中国工程院2019年新当选院士结果公布。北京大学物理学院高原宁教授、前沿交叉学科研究院汤超教授、数学科学学院张继平教授、化学与分子工程学院张锦教授、信息科学技术学院彭练矛教授新当选为中国科学院院士。北京大学人民医院胸外科主任王俊、第三医院血管医学研究所研究员董尔丹新当选为中国工程院院士。为展现新晋院士风采,发挥榜样的力量,北大新闻中心汇集多方资源,以融媒体新闻的形式对新当选院士进行了专题报道。本文将带你走进彭练矛院士的学术世界。


2018年5月2日,习近平总书记到北大视察工作。在金光生命科学大楼的一层大厅,总书记在“领先世界的碳芯片技术”展台前久久驻足,北京大学信息科学技术学院电子学系教授、系主任彭练矛代表团队汇报。


30余年以来,彭练矛始终坚守在科研攻关的一线:他在电子显微学领域发展了可以精确处理一般材料体系反射和透射电子衍射、弹性和非弹性电子散射的理论框架;在碳基电子学领域,发展了整套碳基CMOS(互补金属氧化物半导体)集成电路无掺杂制备新技术,首次制备出性能接近理论极限,栅长仅5纳米的碳管晶体管,实现了综合性能超越硅基器件十余倍的“中国奇迹”。


2019年,彭练矛当选中国科学院技术科学部院士,开启了科研人生新的精彩篇章。


矢志学术,不忘初心


1978年,年仅16岁的彭练矛考入北京大学无线电电子学系,成为“文革”后第一批进入燕园的学生。在恩师西门纪业教授的带领下,他与电子显微学结下了不解之缘。


作为恢复高考后的新一代大学生,彭练矛深知贫乏的知识与苍白的思维无法推动科研巨轮行进,格外珍惜在北京大学的每一个学习的机会。1983年,在西门纪业教授的鼓励下,彭练矛以优异的成绩通过CUSPEA(中美联合招考物理研究生项目)选拔,前往亚利桑那州立大学美国国家高分辨电子显微学中心攻读博士学位,师从考利(J.M.Cowley)教授。


在美国顺利拿到博士学位后,彭练矛又先后前往挪威奥斯陆大学和英国牛津大学继续研究工作,在电子显微学领域崭露头角,做出了一系列瞩目的成绩。然而,在海外的岁月里,亲人的温暖和祖国的进步常使他心潮澎湃,欧洲的安逸生活无法留住他的心。1994年底,彭练矛回到阔别了十余年的祖国——“彭的离去是英国电子显微学界的一大损失。”英国剑桥大学卡文迪什教授豪伊(A.Howie)这样说。


世纪之交的中国正处于轰轰烈烈的发展之际,伴随着“985工程”“211工程”的全面实施,彭练矛在1999年回到母校,将自己在电子显微学领域的知识应用于纳米材料的研究,并致力于纳米电子学方向的探索。


彭练矛说自己科研报国的初心发轫于“爱国”,而不止于“爱国”。“很长一段时间以来,中国对人类文明所作出的贡献都十分有限,可以说,还远远没有发挥出中国人的聪明才智和创造力。我希望我们的科研成果能推动整个人类文明的发展,让祖国真正屹立于科技强国之林。”彭练矛如是说。


这份初心也成为激励彭练矛在科学道路上攻坚克难的“法宝”。在他看来,努力路途上的艰辛皆可抛诸脑后。“我们每天都要面临挫折,但作为科研工作者,首先需要保持对科研的兴趣和热爱,然后学会享受科研的酸甜苦辣。不经历风雨,怎能见到天上的彩虹?不捱过寒冬,怎能迎来春天的生机盎然?”


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彭练矛


核心科技,领先世界


芯片是一个国家发展高科技产业的核心所在。


在过去几十年的发展中,中国在基于硅基CMOS技术的传统芯片产业一直处于被西方“卡脖子”的相对落后的境地。步入21世纪以来,传统硅基芯片受摩尔定律的限制,发展速度日益缓慢,科学家一直试图寻找能够替代硅的芯片材料,其中碳纳米管晶体管(简称“碳管”)就是颇具研究价值的方向。


时代的发展呼唤性能更优的技术。是传承还是突破、是跟踪还是引领,成为摆在彭练矛这一代中国电子科学家面前的难题。2000年,彭练矛带领研究团队从零开始,探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法。“在当时,纳米电子学是一个相对较新的领域,我们团队最开始的7年是在对西方先进技术的跟踪中摸索过来的。”


功夫不负有心人。在经过多年的技术追赶之后,卧薪尝胆的彭练矛终于迎来了他在纳米电子学研究中的第一项标志性成果——碳管制备技术的初步突破,同时,正式将碳管材料和碳基芯片作为团队主要研究方向。


又经过十年的技术攻坚,彭练矛团队放弃传统掺杂工艺,终于突破了N型碳管制备这一跨世纪难题,创造性地研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法,并在2017年首次制备出栅长5纳米的晶体管。这一世界上迄今最小的高性能晶体管,综合性能比目前最好的硅基晶体管领先十倍,接近了理论极限。2018年,团队再次突破了传统的理论极限,发展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶体管;同年,用高性能的晶体管制备出集成电路,最高速度达到了5×103兆赫兹,不仅跻身与斯坦福大学、麻省理工学院等研究机构同步的国际领跑行列,而且在最关键的核心技术上是世界领先的。


这一系列鼓舞人心的“战绩”背后是彭练矛团队二十年如一日对于核心技术孜孜不倦的追求。“习近平总书记去年对我们团队碳材料技术所评价的‘另辟蹊径’‘柳暗花明’极大鼓舞了每位成员。造出性能更好、能耗更低的碳纳米管,让我们的技术尽快、尽可能多地运用到后摩尔时代的芯片制造业,使中国科技也能引领世界文明的发展,这就是我们团队的‘中国梦’。”彭练矛兴致勃勃地说。


实现碳芯片的进一步发展,除了依靠团队自身的努力和市场化的运作以外,来自政府和学校的支持也必不可少。“仅在理论基础研究方面,科技部就提供了连续20年、总经费近1亿元的支持。2012年开始,北京市科学技术委员会主导成立了北京碳基集成电路研究院,按照新型研发机构的方式给予长期支持。”彭练矛告诉记者,目前正在筹建的国家创新中心也考虑将碳基集成电路技术纳入其中。而就在记者发稿时,学校发文成立“北京大学碳基电子学研究中心”实体研究机构。北京大学的碳基技术正在逐渐完善的机制体制保障和在国际顶尖科研团队的协作攻关下蓄势而出。


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彭练矛生活照


昨日学生,今日先生


彭练矛是个对人才培养和队伍组织格外看重的科学家。他直言自己的学生时代非常幸运,在北京大学读书期间跟随严谨治学的西门纪业教授打下坚实的基础。“尽管西门老师在理论电子光学领域的研究成果当时已经处于国际领先水平,但他还是建议我出国看看。西门老师说美国的电子显微学水平远远领先中国,技术上一定要虚心地向人家学习。”


在亚利桑那州立大学攻读博士期间,彭练矛的导师是高分辨电子显微学派的“掌门人”考利(J.M.Cowley)教授,他们一起开展了电子显微学领域大量的基础研究工作。


“考利教授对科学是发自内心的热爱,也非常愿意指导学生。他每周固定安排两个半天训练学生使用实验设备。只要他在办公室,任何学生都可以敲门,他会就一个科研问题和学生讲解、讨论很久。”考利教授对于科研和教学的热忱令彭练矛感动不已。“就在恩师去世前两天,竟然还在做实验。其实像他这样的大科学家,完全不必亲自下一线,可他就是喜欢摆弄设备、带学生,这是一种对于学术纯粹的爱。我希望自己也能够成为这样的人。”彭练矛感怀道。


深受老师影响的彭练矛在科研攻关的同时,在教学和团队建设上投入了大量心血。他曾经获得全国优秀博士学位论文指导教师、首届北京大学十佳导师等荣誉称号;他认为,学科的繁荣不可能由某一位杰出的科学家来实现,所有突破性成果都离不开一个前赴后继、薪火相传的创新研究群体。昨日的学生成长为今天的先生,彭练矛想把自己变成一颗大树,在中国纳米电子学人才培养方面结出更多成熟的果实。


彭练矛对致力于从事科研的学生也有恳切的期许。他认为对科研态度的秉承与对先进技术的传承同样重要。“老一辈科学家是在物质条件匮乏的条件下,兢兢业业地扎根科研;现在的条件改善很多,很多年轻人反而‘坐不住’了。”彭练矛希望有志青年能够把眼光放得更长远,把目标立得更远大。“也就是人们常说的‘脚踏实地、仰望星空’。年轻人不该局限于赚钱、发论文的小目标,更要有强国之志、振兴民族的使命和胸怀宇宙的精神——这才是我们北大科研人的职责和情怀。”


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彭练矛带学生做实验


再接再厉,勇攀高峰


彭练矛认为,目前,基于碳纳米管的无掺杂CMOS技术已经不存在原理上不可克服的障碍,然而,要建设一个完整的碳基芯片产业,还有很多工程化的工作待进一步完成。对于未来的技术发展,他认为要在相关技术成熟后着手产业化投入。“未来的技术发展首先要保证前沿性,北大的作用是不可替代的。”在他的规划中,“相关项目的核心技术成熟之后,将面向企业寻求合作或者转化,形成完善的产学研链条,这其中还有很多工作要做,中国芯片的研发不可以‘搞大跃进’‘放卫星’”。


彭练矛说,他时常感到被压力“裹挟”。“我们国家有这么多院士、这么多优秀的科研团队,国家为科研每年投入这么多支撑,可还是在很多方面被欧美‘卡脖子’。这怎么能让人安心?”当被问及新当选院士的感受时,彭练矛“出乎意料”地给出了自己的答案。在他看来,当选院士只是对于团队此前工作成果的认可和肯定,但未来的工作规划和愿景并不会因此发生根本性的变化。“我还是会一如既往地在碳芯片技术研发领域投入全部心力,为国家繁荣和人类进步作出贡献。如果一定要说有变化,那就是责任和担子更重了。”


人物简介:


彭练矛的主要研究领域为电子显微学和碳基电子学。在电子显微学领域,发展了可以精确处理一般材料体系反射和透射电子衍射、弹性和非弹性电子散射的理论框架;建立了确定材料结构所需的重要参数库。在碳基电子学领域,发展形成了整套碳基CMOS集成电路无掺杂制备新技术。采用不同功函数的金属作为电极,实现了碳管理想的欧姆接触,解决了制备性能超越硅基晶体管的碳管CMOS晶体管这一世界难题;利用钇可与碳纳米结构形成完美浸润,获得了高质量的超薄氧化钇栅介质层。在此基础上,首次制备出性能接近理论极限、栅长仅5纳米的碳管晶体管,综合性能超过硅基器件十余倍。


相关工作获2010年和2016年国家自然科学二等奖,入选中国高等学校2000年和2017年十大科技进展,2000年中国基础科学研究十大新闻,2011年中国科学十大进展。2015年荣获第四届首都科技盛典——推动“北京创造”的十大科技人物称号;2018年获“何梁何利基金科学与技术进步奖”。2019年,新当选中国科学院院士。


主办单位:

主办单位:

中环协噪声与振动控制专业委员会

中国绿色环保协会

中国环保产业学会                    

中振协振动与噪声控制分会            

国际噪声控制工程学会I-INCE

承办单位:

上海励国展览服务有限公司