周济清华大学 清华大学特聘教授周济:在学科交叉点上寻找材料创新之源

他是一系列新型电磁介质材料的发明人,这些发明曾为我国电子元件行业的发展提供了核心技术……他提出了天然材料与"超材料"(metamaterials)融合的思想,为材料设计提供了新的思路……  他,就是 清华大学 材料科学与工程系长江特聘教授周济。谈起多年来从事材料研究的体会,周济感触最深的是:"学科交叉是创新的重要源头"。

"跨学科的背景使我很受益"

随着现代科技的不断发展,科学研究越来越走向多学科综合化,单一的学科研究已经不能满足人类科技发展的需要。很多科研工作者开始有意识地向知识的多学科拓展,而周济在读书时就已经开始了多学科交叉学习。本科学电子,硕士学物理,博士学化学,之后转战材料领域至今。

这样的学习经历不免让人觉得很传奇,问及个中原因,周济的回答显得有些轻描淡写:"之所以从电子学转向物理学,是因为当时觉得所学的半导体在国内缺乏好的条件;而后来搞固体物理,发现研究结果往往与所研究样品的制备关系非常大,为了能够自己制备样品,在读博士时选择了化学。博士毕业后,发现自己搞物理、搞化学、搞电子都不是科班的,于是索性转到了材料领域。"

1991年,周济从北京大学化学系获得博士学位后来到 清华大学 材料系,开始了他的材料科学生涯。提起当年引领他进入材料领域的两位恩师——李龙土院士和张孝文校长,周济充满了感激之情:"至关重要的一步,是在他们的指导下迈开的"。

虽说有师傅领进门,但修行在个人。材料科学是一门交叉性极强的学科,一方面,有物理学和化学作为本学科的两大基础;而另一方面又和应用息息相关。"跨学科的背景使我很受益"。周济在物理学、化学和电子学三个学科中打下了坚实的基础,有了这些深厚的"物资储备",再去研究信息功能材料就再合适不过了。

博学而精取,厚积而薄发。跨学科的背景使他在近20年的材料研究中逐渐地形成了自己的研究特色:以独特的视角和思维方式审视问题,在学科交叉领域开拓研究前沿。近年来,周济先后获得国家技术发明奖二等奖、教育部科学技术奖一等奖等奖励,在Materials Today、Physical Review Letters、Advanced Materials等知名学术期刊上发表学术论文200余篇,获得发明专利20余项。

材料创新引领电子信息产业发展

无源电子元件是电子信息技术的重要基础。中国是电子元件大国,但不是强国,虽然多种电子元件产量都在世界上名列前茅,但在产值和产品结构上远远落后于美国、日本等发达国家。材料问题往往是电子元件的核心问题,20世纪90年代中期从海外学成归来的周济,在这里找到了实现他的科学强国梦的切入点。

在三大类无源电子元件中,电感类元件因结构和材料相对复杂,片式化进程一直比较缓慢,其关键技术是具有低烧成温度的软磁铁氧体材料。相当长的一段时期这种材料技术被国外大公司垄断,刚刚起步的我国在片式电感产业方面步履维艰。

面对国家高技术产业发展的重大需求,周济在李龙土院士的大力支持下,在国内率先开展了片式电感器材料的研究。提出了利用纳米烧结动力学原理降低铁氧体烧结温度,和利用平面六角铁氧体提高材料应用频率两个学术思想,并和同事们一道发展出了新颖的技术路线,解决了铁氧体材料低温烧结与高性能难以兼顾的技术难题,发明了三类性能远远高于国外同期同类产品的新型低烧铁氧体材料,拓展了片式电感类元件的感量、频率和用途空间。这一成果不仅打破了国外大公司的垄断和封锁,还形成了我国在片式元件高端材料方面的技术优势,促成了清华同方片式电感器生产基地的建立,被业界评价为:"标志着我国新生的片式电感产业步入了自主发展的阶段"。该成果获得了2005年度国家技术发明奖二等奖等奖励。

回想起那段日子,留给周济印象最深的就是两个经验:一是学科交叉,把纳米化学动力学的原理应用到了陶瓷烧结温度的降低;二是要敢于打破常规,尝试别人认为不可能实现的目标。

寻找无源元件的"摩尔定律"

当代信息技术的迅猛发展主要归功于以"摩尔定律"为标志的半导体有源器件集成技术的不断突破。然而,作为电子信息系统中另一组成部分无源元件,则一直以分立形式使用,构成了制约电子信息技术发展的一个瓶颈。近年来出现的低温共烧陶瓷技术(LTCC)使得无源电子元件的集成成为可能。周济课题组取得的另一项有影响的工作就是为LTCC技术提供了一大类的新型材料。

低介电常数LTCC材料在应用中最重要,难度也最大。由于LTCC技术对材料工艺特性和物理化学性质要求非常严格,真正有实用价值的只有以Ca-B-Si氧化物为主配方的材料系统,被美国Ferro公司、杜邦公司和德国贺利氏公司的专利覆盖。由于介电常数、介电损耗和烧结温度的矛盾,这类基方材料难以过掺杂改性实现系列化。

周济从材料结构调制的基本原理出发,提出了通过氟取代对陶瓷中硅氧四面体结构来同时降低材料的介电常数、介电损耗和烧结温度的思想。在这一思想的指导下,发展出了以硅铝氟氧化物微晶玻璃为主成分的LTCC基方材料,实现了低介电常数LTCC材料的系列化。而他这一思想更为深远的意义则在于,"利用这个基本配方系统,可以很容易的按照要求设计制备出各种各样的LTCC材料"。

"这个材料完全是预先设计的,实验证明了理论预期,这和一般陶瓷材料的研究开发过程很不相同。"周济说,"设计思路来源于半导体技术中用的低介氟氧化物薄膜。在这类材料中,氟引入硅氧四面体结构中可降低材料的介电常数和介电损耗,在理论上已经很清楚了。另一方面,从固体化学原理分析,氟的引入材料体系可以降低材料的烧结温度,这样就可以获得一箭双雕的效果。"

融合"超材料"与天然材料

20世纪60年代,前苏联物理学家韦谢拉戈提出,如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率,这种物质将能够颠覆光学世界,它能够使光波看起来如同倒流一般,并且在许多方面表现出有违常理的行为。直到20世纪90年代中后期,英国科学家潘德瑞利用"超材料"的思想,提出了通过人工结构实现这种材料的方案,21世纪初被美国科学家史密斯等人从实验上证实,在科学界引起了强烈震动。而在此之前,另外一类"超材料" ——光子晶体却已广受关注,人们期待这类材料能够在不久的将来成为光信息时代的半导体。

"超材料"指的是一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。"严格地讲,超材料不是材料,因为它们的性质不来源于材料而来源于其中的人工结构。"周济强调说。在他的课题组进入这个领域之前,这个领域的研究者基本上都是物理学家和电子学家。"而我们做的工作是把功能材料引入到‘超材料’当中,实现两者的融合"。

2000年,周济率先提出了基于铁电体的光子晶体,实现了光子晶体带隙的可调。这一方案后来被富士通公司所采纳,推出了首例可实用的可调带隙光子晶体器件。

近年来,周济致力于在天然材料中寻找超常的电磁特性,而这正是韦谢拉戈提出他的理论时的最初梦想。2008年10月,在西班牙召开的第二届国际超材料大会上,周济应邀作特邀报告,而坐在台下的已近耋耄之年的韦谢拉戈对他的工作表现出了异常的兴趣。"从20世纪60年代到90年代,对超常电磁介质的研究文献几乎是空白。这可能有两个方面的原因:一方面,当时的研究者不认为天然材料具有超常电磁特性,韦谢拉戈的思想纯属理论上的虚构;另一方面可能是在现有材料中寻找超常电磁特性难度的确非常大"。但无论如何,周济课题组近年来的研究已经证明利用天然材料能够实现一些"超材料"的性能。

近年来,周济课题组先后在理论和实验上发现了一些天然材料中的超常电磁特性,他们分别在利用铁电体、铁氧体、高介电陶瓷颗粒、液晶、极性晶体等多种材料中发现了负介电常数、负磁导率和负折射行为等超常行为,在国际知名学术刊物上发表了一系列学术论文。"我们工作的意义之一是改变了‘从天然材料中无法获得超常电磁性质’的观念"。

采访临近结束时,周济欣慰地告诉记者,他的课题组刚刚在石墨中发现全角负折射现象。这一发现不仅打破了天然材料无法实现全角负折射的观念,还有可能制成没有像差的深紫外超透镜,使微电子加工的精度大幅度提高,进而使集成电路技术更上一层楼。