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雷清泉院士来校作报告,雷清泉团队在绝缘纳米

来源:http://www.tessiz.com 作者:澳门威斯尼人平台登陆 时间:2019-09-14 11:58

雷清泉团队在绝缘纳米结构材料领域获突破性进展

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3月15日下午,绝缘技术专家、我校双聘院士雷清泉为我校师生带来了一场题为“纳米电介质的结构和运动的时空多层次性及思考”的学术讲座。相关专业的学者和研究生齐聚科学馆101聆听讲座。

近日,西安电子科技大学微电子学院郝跃院士团队在负电容铁电场效应晶体管研究领域取得突破性进展,创新性提出并实现了新型纳米晶铁电材料(Nanocrystal-Embedded-Insulator,NEI)FeFET。该研究工作发表在IEEE Electron Device Letters2019年第一期,并选为封面文章突出报道。

近日,青岛科技大学材料科学与工程学院雷清泉院士团队在绝缘纳米结构材料领域取得突破性进展。提出了一种新型超电绝缘体结构原型——维氧化铝纳元胞,此研究在国内外均属首次。

雷清泉,哈尔滨理工大学教授,博士生导师,中国工程院院士。1962年毕业于西安交通大学,1981年至1983年公派留学德国汉诺威大学,1993年被聘为日本大阪大学客座研究员,IEEE高级会员,ICPADM2009国际学术会议主席;现任“电力设备电气绝缘国家重点实验室”学术委员会主任委员(西安交通大学);“电子薄膜与集成器件国家重点实验室”学术委员会主任委员(电子科技大学);青岛科技大学双聘院士,清华大学、西安交通大学、上海交通大学、北京交通大学、大连理工大学兼职教授,武汉大学讲座教授;中国电工技术学会工程电介质专业委员会主任委员、中国物理学会电介质物理专业委员会委员;第九、第十届国家自然科学基金材料与工程学部评议组成员。先后主持完成了国家“九五”重点科技攻关项目1项、国家自然科学基金4项,其他科研课题12项。获2001年国家技术发明二等奖1项及发明专利1项,省部级科技进步一、二等奖各1项。2009年,荣获黑龙江省“新中国成立以来感动龙江英才”荣誉称号。

澳门威斯尼人平台登陆,雷清泉院士介绍了纳米电介质的主要研究内容和电介质材料及其理论体系的发展趋势,并以高聚物的结构作为多层次的典例说明纳米电介质的研究是一个具有多尺度、前瞻性、挑战性的高科技领域。

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绝缘电介质在电气与信息工程领域具有重要地位,涉及航空航天航海特别是特高压、高铁与大功率储能电器等。绝缘电介质现有的绝缘类型从工程应用方面存在绝缘工作场不强、耐压等级较低和平均工作寿命较短等诸多弊端,远远不能满足工程实际需要。

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整个讲座围绕纳米电介质极化、输运、击穿与老化特性中的尺度效应等问题展开。雷院士在概述相关传统理论的基础上,介绍了自己在这些领域的研究理论。谈到纳米电介质极化的尺度效应时,雷院士介绍了巨介电系数电子波函数的定域效应等有关知识。他指出,纳米电介质的研究有相当一部分与微电子交叉。介绍纳米电介质输运的尺度效应时,雷院士通过举例详细地介绍了界面及其对运输的调控作用、纳米间隙导电的尺度效应及纳米电极发射体的发射效应。在纳米电介质击穿或破坏过程的尺度效应方面,雷院士以飞秒脉冲下纳米尺度间隙的无雪崩放电为例介绍了纳米尺度下的界面击穿和弱点击穿,概述了不同尺度下的放电特征。另外,雷院士还以纳米高聚物复合物为例对纳米电介质研究的现状和启迪进行了简单的阐述。

FeFET是利用铁电材料作为器件栅介质,实现非易失存储器或者负电容逻辑器件。目前的FeFET是基于掺杂氧化铪铁电材料,即在HfO2中引入锆或铝等元素,从而使介质薄膜从顺电变成铁电材料。这类铁电材料存在的主要问题是:材料铁电参数不容易调整;材料一般为多晶相,FeFET中铁电栅介质不能太薄,否则会出现漏电流或者铁电性消失。如非易失存储器铁电层厚度一般为6—10 纳米,而负电容逻辑器件一般为4—6 纳米,大大限制了FeFET在FinFET器件中的应用。因此,开发超薄的铁电材料成为推动FeFET在亚10 纳米 CMOS中更广泛应用的关键。

雷清泉指出,基于纳米结构材料的纳米电介质工程将是引领绝缘品质大幅度改善的必由之路。雷清泉院士研究团队的成果突破了传统的理论与材料制备技术的限制,在概念与材料结构上取得了超前的突破性进展。根据基础电介质理论,结合固体击穿及气体电子雪崩理论,提出的新型超电绝缘体结构原型——一维氧化铝纳元胞。通过实验证明采用该结构的Al2O3纳孔模板的耐电强度较纯空隙有2-5倍的显著提高(考虑不均匀系数,则有2-3个数量级的提高)。研究结果表明,在纳米尺度下纳元胞的横向尺寸对电子运动有明显的调控或限制作用。基于此研究,未来有望将材料的击穿场强提高10倍以上,具有重大的工程价值。

2002年2月1日,雷清泉主持的研究成果“新型半导电聚省醌自由基高分子粉末材料的制备及其传感器应用”获得国家技术发明二等奖。他带领课题组经过13年的艰辛努力,率先在世界上解决了应用半导电省醌黑高分子粉末材料制作压力及温度传感器的科技难题,为我国油气开发和振兴东北老工业基地建设作出了卓越贡献。

讲座最后,雷院士就纳米电介质研究的科学问题提出了他的研究目标和相关思考。对于研究生们的积极提问,雷院士耐心解答,并和电气绝缘电力设备重点实验室的学者热烈讨论了该领域的最新问题。

NEI铁电薄膜是一种全新的铁电材料结构,使FeFET集成于亚10纳米CMOS成为可能。作者在研究中采用先进的原子层沉积工艺,在非晶顺电介质中嵌入少量氧化锆纳米晶颗粒,实现了新型的NEI铁电薄膜。NEI材料的优势在于:铁电参数可以通过改变ZrO2含量来调整;绝缘栅介质层中加入了铁电纳米晶颗粒,使得铁电层与介质层融为一体,进一步减小了栅介质层的厚度,介质为不定形(amorphous)相,可以实现2纳米厚度。该研究工作不仅揭示了NEI铁电特性,并且还相继报道了作者实现的2.1和3.6 纳米NEI FeFET存储器件和负电容器件,其中负电容晶体管亚阈值摆幅突破了60mV/decade物理极限。该材料铁电参数的灵活可调性将有助于进一步揭示负电容晶体管的真正工作机理。

该研究提出了绝缘电介质从宏观过渡到介观性能研究、从传统制造过渡到纳结构化高性能绝缘电介质材料制造的新思路,对传统电介质击穿理论、材料结构形态研究及制造工艺将会产生根本性变革,对现代高端电缆制造业及特/超高压输变电领域具有重要的意义和潜在的价值。

2017年,已当选中国工程院院士14年的雷清泉,在没有任何项目基金资助的情况下,凭着执着探索和思想创新,在世界纳米电介质领域的研究中再谱华章,首次命名了纳元胞及超绝缘体并获得了实验验证,在纳米结构材料上获得极高的击穿强度,实现了通过结构构筑,以调控材料性能的目的。这是纳米电介质研究领域的突破性进展,它突显了时间上的超前性、科学上的概念创新性、技术上的潜在颠覆性,其影响并不亚于在NatureScience刊物上发表前沿或热点性跟踪性论文。

雷清泉院士简介

IEEE Electron Device Letters是国际微电子器件领域的顶级期刊,也是IEEE Electron Devices Society第一旗舰期刊,在国际微电子领域享有权威的学术地位和广泛的影响力。郝跃院士团队2018年在该期刊发表学术论文十多篇,标志着西安电子科技大学在先进微电子器件研究领域已经走在世界前列。

雷清泉团队“一种超电绝缘体原型-1D气-固氧化铝纳元胞”研究是一项颠覆传统观念的研究,该研究成果发表在纳米能源材料领域的顶尖学术刊物《Nano Energy》上。

这一成果发表在国际著名刊物Nano Energy上,为雷清泉的八十寿诞献上了一份具有特殊意义的生日礼物。

绝缘技术专家,哈尔滨理工大学教授,博士生导师,西安交大双聘院士,电力设备电气绝缘国家重点实验室学术委员会主任。主要研究方向为工程电介质材料及其性能,特别是纳米复合材料、现象及其应用。先后主持完成了国家“九五”重点科技攻关项目1项、国家自然科学基金项目3项、其它科研课题12项,目前主持国家自然科学基金重点项目1项。在利用热激电流技术研究绝缘高聚物中的电子运动规律、评定其耐电老化特性和指导材料的改性等方面取得了多项创新性成果,且达到了国内领先及国际先进水平。发明了共缩聚制备新型省醌黑高聚物粉末材料的新方法,发现了新的导电规律,制成了原始创新的压力温度双参数传感器,解决了国际上半导电高分子粉末材料在传感器领域长期未获应用的多项技术难题,成为此领域的开拓者,为推进其技术进步作出了重大贡献。新型传感器与大庆的采油电泵机组配套,取得了很好的经济效益。

Yue Peng, Wenwu Xiao, Genquan Han,* Jibao Wu, Huan Liu, Yan Liu, Nuo Xu, Tsu-Jae King Liu, and Yue Hao, “Nanocrystal-Embedded-Insulator Ferroelectric Negative Capacitance FETs with Sub-kT/q Swing,” IEEE Electron Device Letters, vol.40, no. 1, pp. xx-xx, Jan. 2019.

信念

在国内外公开刊物上发表论文90余篇,获国家技术发明二等奖一项。

彭悦,2015级博士研究生,师从郝跃院士,2016年跟随团队的韩根全教授开展FeFET材料和器件的研究工作,取得了突破性的研究成果。该研究工作得到国家优秀青年科学基金项目和国家自然科学基金重点项目的资助。

1938年,雷清泉出生在四川省岳池县中和乡,年幼时父母双亡,靠着姑姑接济生活。读完小学后,他辍学在家务农。13岁时,乡干部找到家里,使他享受到全额助学金及生活补助费,一直到读完大学。

1957年,雷清泉以优异的成绩考入西安交通大学,师从我国电介质物理的开创者、奠基人陈季丹教授。陈季丹博学严谨的学术造诣和执着研究的求索精神深深地感染着雷清泉,引领他遨游科学的海洋,也坚定了他沿着恩师的研究方向笃定前行的信念。

1962年,雷清泉从西安交通大学毕业后,坚决服从国家分配,来到哈尔滨电工学院任教。1981年—1983年,他在德国汉诺威大学做访问学者,从事高压绝缘材料中空间电荷理论研究。其间,他清醒地看到我国与发达国家之间的悬殊差距。一颗强烈的爱国心使他暗下决心:科学研究就是要争取第一,只有第一,才有意义。

在学习期间,雷清泉放弃了一切旅游休闲机会,甚至把行李搬到实验室,进行介电现象的理论与应用研究。回顾那段经历时,他说:“在我看来,旅游什么时候都可以,但学习的好机会,一旦错过,就再也不会回来了。”

“我童年就失去父母,是党和国家送我上学,支持我的生活,我唯有勤奋工作才能回馈这份恩情。”雷清泉感慨地告诉笔者。归国后,他把研究目光瞄准了电气绝缘领域前沿及相应交叉学科。

当时,如何解决油田电泵井采油生产过程中连续监测井下地层的压力及温度变化问题,一直是世界性科技难题。由于用于监测传感器的制备上所用的半导电高分子材料,尤其是其中的聚省醌自由基高聚物(简称省醌黑)耐热氧化稳定性差,故其规模化应用一直无法实现。

从1962年起,美国MIT学者Pohl在社会各界的强力资助下,对此类材料的性能做了深入研究,虽然合成了数百种省醌黑,但直到1986年Pohl去世,仍未解决这一难题。

基于国内外油田市场对新型压力温度传感器的急需,1987年,雷清泉组建课题组,与团队成员瞄准这一领域的国际难题开始进行攻关。面对没有标准样品、没有参考资料,甚至连生产设备都没有的艰苦环境,他带领团队埋头苦干,专心研究,以惊人毅力和坚定信念,历时13年,历经数百次失败,终于在世界上首次成功研制了用于潜油电泵井下监测的半导电聚省醌粉末材料制备的温度压力双参数传感器。

在该项目申报国家技术发明奖的评审会上,国内知名电子材料学专家韦钰听完答辩后连声称道:“这是原始创新,这绝对是原始创新。”

更令人自豪的是,从传感器材料、传感器设计到传感处理的整个研发过程,都是雷清泉率领团队自主创新完成的,拥有多项发明专利。这一科研成果获得2001年国家技术发明二等奖。2003年,雷清泉当选中国工程院院士,时任哈尔滨理工大学校长赵奇动情地说:“雷清泉教授是在哈尔滨理工大学贫瘠的土地上厚积薄发、土生土长的院士。”

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雷清泉(前)指导青年教师

在长期从事电介质理论基础研究的同时,雷清泉也特别重视工程实践。在详细研究聚省醌自由基半导电高分子材料的合成方法以及材料特性的基础上,他利用这种材料,成功开发出温度、压力双参数传感器,实现了利用一个器件完成两种参数测量的功能。这种传感器应用于油井中的温度、压力参数测量,大大简化了传统测量系统,显著增加了测量系统的工作寿命,提高了效率,降低了成本,在大庆油田以及我国援建的苏丹油田获得了重要应用。

创新

持之以恒,走创新之路是雷清泉对科学精神的坚守与追求。他善于站在时代和科学的高度,以前瞻性和开拓性的思路把握研究方向,一旦确认目标,即坚持不懈,不达目标绝不罢休。

雷清泉所取得的许多重要成果,都是十年磨一剑,有抱负,有责任,不气馁,不言败。关于创新,雷清泉有他自己的体会:“创新不能只盯着那些在科学上已经开始闪光和发热的亮点,要瞄准国家科技与经济发展的需求,盯住一个隐约有希望的点坚持下去,就可能导致创新。”

雷清泉是国内开展纳米电介质理论研究的开拓者。2001年,他在电气绝缘领域第一个承担了关于纳米复合聚酰亚胺材料的国家自然科学基金重点项目。在研究过程中,他敏锐洞察到纳米电介质领域存在的问题、解决思路和未来发展方向,盯住这个还未引起科研同行关注的“有希望的点”,开始了潜心研究。

2009年,雷清泉主持召开了第354次香山科学会议,并做了“纳米电介质的结构及运动的时空多层次性及其思考”的主旨报告。他指出,纳米电介质研究涉及凝聚态物理学、材料科学、表面与界面科学、电气工程、电子科学与工程以及信息科学与工程等多学科交叉;涉及过去从未研究过的纳米电介质及相应结构这一介观领域。因此,在传统的电介质微观结构——宏观性能理论的基础上,应加强介观或纳米尺度结构与微观结构及宏观性能之间关联作用的研究,探索建立微观结构——介观结构——宏观性能三者之间的相互关系与理论模型。这就是在纳米电介质领域被广泛认同的3M关系(微观microscopic—介观mesoscopic—宏观macroscopic),为纳米电介质发展确立了理论框架并指明了研究方向,得到业界的高度评价。

瞄准这个方向,雷清泉又持续攻关了8年,在国际上首次命名了纳元胞及超绝缘体并获得了实验验证,在世界电气绝缘领域的科研高峰上再次折桂。

值得注意的是,雷清泉对纳米复合聚酰亚胺耐电晕老化薄膜材料,在材料结构、制备工艺以及材料特性方面做了大量研究工作。这些工作为我国实现这种材料的工业化生产奠定了基础,使我国成为除美国之外,又一个能够批量生产这种材料的国家。目前,这种材料广泛应用于变频电机制造领域。

务实

“落红不是无情物,化作春泥更护花。”作为哈尔滨理工大学高电压与绝缘技术学科建设的带头人,雷清泉以超前的战略头脑,思考和把握电气工程学科的发展建设。他指出,学科建设的重点是人才队伍建设,要有帅才和将才,他们要有雄厚的专业基础知识,突出的工程实践能力和创新思维,更重要的是,要有厚积薄发、远见卓识、献身科学的价值追求,鄙视安于现状、自我满足的心态。

雷清泉强调,要获得学科同行的肯定,需要不断凝练自己的科研方向,充分发挥自己的特色与优势,科研项目要有一个整体知识作支撑,必须有不看小、只看大的精神,要对学科建设有质的而不仅仅是数的贡献。

针对如何实现学科跨越式发展,雷清泉认为,应该目标远一点,心胸宽一点,开始步伐慢一点、稳健一点。在他的率领下,哈尔滨理工大学电气工程学科建设从1997年博士点“零”的突破到2007年成为国家重点学科,仅仅用了10年时间。

2007年,雷清泉以超前的眼光,对电气工程学科平台进行长远布局,从国际科学技术发展的前沿角度考虑,把纳米电介质的研究作为学科发展的突破口。为建设黑龙江省新材料支柱性产业,2009年,省领导来学校重点实验室视察,为雷清泉院士的献身科学精神所感动,并为他提出的以纳米电介质为特色的实验室建设落实了3900万元的建设经费。

充足的经费极大地丰富了学科发展和重点实验室的基础环境。2010年,雷清泉电介质工程国家重点实验室培育基地获批,为学校的学科发展建设带来了新的飞跃。

2009年,雷清泉亲任大会主席,在哈尔滨理工大学成功举办了电介质材料性能及应用国际会议,使哈尔滨理工大学成为我国继清华大学、西安交通大学之后第三个举办该学术会议的高校。

传承

“1991年,法国德热纳教授在获诺贝尔物理学奖后,随即于1992年~1993年用两年时间在法国200多所高级中学做‘软物质与硬物质’的现代科普教育;美国诺贝尔物理学奖得主费因曼自认为,他最大的贡献不是诺奖,而是他流芳百世的‘费因曼物理讲义’。他们崇尚教育的伟大品质一直是我学习的榜样。”在哈尔滨理工大学,上电介质物理专业基础课被喻为“听天书”,而雷清泉就是那位能把“天书”讲清楚明白之人,他一直把传承知识、提携后生作为自己矢志不渝的追求。

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雷清泉(左)指导学生实验

雷清泉不仅为学生“传道授业解惑”,更以一个科学家的品质和人格魅力感染、启迪着学生。他重视夯实学生的理论基础和实践功底,每年都从大三的本科生中选拔创新意识和动手能力强的学生参与他的课题研究。他早期的研究生、电缆86级王福来的硕士论文,1990年就在美国Ferroelectrics刊物上发表,被SCI收录;硕士生王暄的论文于1992年发表在美国J.Appl.Phys.刊物上,被国外学者多次在SCI刊物上引用;他的研究生冯雪冰曾获1996年“全国十佳跨世纪优秀人才”的荣誉称号。

2007年4月,雷清泉在清华大学电机系成立70周年学术交流会上作了关于“工程电介质的理论基础及研究进展”的系列专题学术报告,包括电介质物理的理论基础,电介质中的空间电荷效应,纳米高聚物介电复合物的研究现状、方法及思考,介电现象及其近代应用等内容,几乎涵盖了他一生对工程电介质理论材料及应用的科学总结。

“人的伟大是在细微处闪光。”雷清泉平日总是衣着简朴,行事低调,从不奢华,彰显了他豁达开朗的人生态度。在早期科研条件极为艰苦的环境下,他经常鼓励大家发扬红军长征时期的艰苦奋斗精神。在热释光研究时,他和团队成员深夜在军大衣覆盖下获得过3个光子背景噪声的测试结果。

日常生活中,雷清泉最大的爱好就是读书,以对未知世界的探索为最大乐趣,成就了他融合物理学、材料科学、生命科学、信息技术于电介质理论的基础知识,造就了他在导电聚合物传感器制备技术方面的成就和在纳米电介质前沿领域的探索能力,并构成了独到的思考理念。近10年,他依旧花大量时间阅读国际知名刊物NatureScience上的文章,关心国际顶级科学家思考的问题。

黑发银霜织日月,耄耋之年霞满天。在哈尔滨理工大学这块“贫瘠”的土地上,雷清泉扎根、成长、开花、结果。当年年富力强的他现已逾80高龄,走过了55年教书育人、潜心科研、追求真理的人生旅途。

在“雷清泉院士从教五十五周年暨八十华诞学术研讨会”上,哈尔滨理工大学党委书记赵国刚评价道:“雷清泉院士身上体现出‘献身科学、只做第一,终生学习、持之以恒,艰苦朴素、阳光向上’的宝贵精神品质,是我们哈理工人需要认真学习和传承的宝贵品质。”

一些前沿性工作,几乎没有可利用的条件和可借鉴的成果,雷清泉老师就带领课题组创造条件,自制设备。在进行新型半导电聚省醌自由基高分子粉末材料制备及其传感器应用研究工作中,许多独特的材料合成设备、特性测试设备都是自制的,每一个部件背后都有着“传奇”经历,有的来自于工厂的报废设备,有的来自于关系单位的支援,有的甚至来源于废品收购站。这些设备虽然外表简陋,但功能并不简单。多少寒来暑往,日日夜夜,甚至春节,雷老师都是在实验室中度过的,就是依靠这份执着和坚持,这一成果获得了国家技术发明二等奖。

——王暄(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院教授)

雷清泉老师在学术上治学严谨,在生活中和蔼可亲。当年在学校晨练,总能见到他和夫人散步,见到我们打排球,他总会主动加入行列打上几个回合,身手敏捷,不输年轻人。假期在学校做实验,雷老师经常请我们到家里吃饭,他夫人亲自下厨,对于我们这些穷学生,能吃上一顿红烧鸡翅,真是人间美味。雷老师治学严谨,全校出名,他的电介质物理学是专业课里最难的一门,我至今仍能清晰记得他上课时的谆谆教诲,以及考试前的辅导和答疑,希望我们这些略显混沌的学生能学到知识。后来,我有幸跟随雷老师做科研,老人家总是把我引领到科研的前沿,不断地激励我前行。

——冯雪冰(美国希捷科技公司产品设计师)

雷清泉老师最大的爱好就是读书,用“手不释卷”形容,绝不为过。他不仅以极大兴趣关注科技领域的前沿问题,而且痴迷物理学经典理论。雷老师带领团队在科研方向上不断求新求变,总能以独特视角为研究工作打开新思路,这些都得益于他多年积累的深厚数理功底和掌握运用英、德、俄、法等多国语言。雷老师曾说,所谓学问,学,即求知;问,即创新。只有刻苦努力地学,才能掌握知识,只有深入不断地问,才可能运用知识取得突破和创新。

——张晓虹(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院教授)

原载于2018年8月31日光明日报光明学人版整版

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