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吴幸:科学发现使我快乐

作者:陈卓君

2019/6/12 16:12:11

  一张可爱的娃娃脸,眼前这样一个邻家女孩的形象让人很难与“信息科学技术学院电子工程系教授、博士生导师”的称谓联系起来。而她略显瘦小的身上,还有东方学者、上海市三八红旗手、上海市青年科技启明星等多个头衔。

  她就是华东师范大学吴幸学长。

  走出新疆戈壁滩的女孩

  走在人群中,她并不起眼。不到160cm的身高,看上去娇小可爱。她有些害羞,跟陌生人讲话都会脸红,采访中,她总是以简洁的话语作答,声音轻柔。

  她为人低调谦虚,不愿意承认自己是一名“学霸”,对自己的评价也只是:“一个小人物,在一个小领域,做了一件小事情而已。”然而,至今为止,她已累计以第一作者及共同作者的身份在Nature Communications、Advanced Materials、Small、Applied Physics Letters等国际一流期刊上发表论文90余篇,引用率超过3000次,获得授权发明专利14项。

  尽管有意回避谈及自己的荣誉,但如果讲到她所从事的科研工作,她便不再拘束,耐心地用通俗易懂的语言将深奥的科学知识娓娓道来,显得大方自信。

  她从事的微电子学研究领域很小,但对我国芯片制造“卡脖子”等情况的缓解有着重要的辅助作用。她将基于原位电镜的器件性能调控技术带入微电子研究领域,形成了独特的可靠性测试手段。

  熟悉她的人都评价她说:“这个女孩不简单!”

  吴幸出生于新疆哈密的一个知青家族,父亲是一名电路工程师。小时候的吴幸和其他女孩子一样,乖巧可爱,但父母很快发现她的兴趣爱好却像个男孩子,总是拿着家里的万用表这里测一下,那里测一下,喜欢拆解各种线圈、小电器。

  或许是骨子里这份“男孩子”个性,见惯了“大漠孤烟直”的小吴幸,也渴望着走出这片戈壁滩,去外面的世界闯一闯。

  2003年高考,吴幸给自己填报了唯一的志愿——西安交通大学微电子系。西安交通大学微电子系是国内最早从事半导体技术研究和人才培养的单位之一,早在1959年便有了以半导体物理为主要研究方向的“应用物理”专业。在这里,吴幸开始踏入微电子学的大门。

  2005年前,微电子在国内属于认知度低的专业,学理工的女生本就不多,学微电子学的女生更是少之又少。刚开始,吴幸的成绩并不出挑,“大概是我从小动手能力比较强吧,弥补了一点成绩上的不足。”——这位动手能力很强的小姐姐,与西安交大的小伙伴一起,一举打败了国内各名校,并代表中国队先后挫败日本、新加坡等强劲对手,捧回了2008年“亚太大学生机器人大赛冠军”的奖杯。出色的动手能力更是让她在本科阶段就发表了两篇高质量学术论文,美国、新加坡的高校也纷纷向她抛出了橄榄枝。

  本科毕业后,吴幸选择到新加坡南洋理工大学留学,开启了人生的另一段旅程。问她为什么不选择学科领域更前沿的美国时,她的回答出人意料的简单:“就是因为能离家近一点,舍不得父母。”

  寻找原子的“原位”状态

  到新加坡的第一天被吴幸形容成“两眼一摸黑”。那天下着瓢泼大雨,一个人拖着行李走出樟宜机场,一切都是那么的陌生,“独在异乡为异客”的飘零感涌上心头。但她没有退缩,对知识的渴望成为了她求学路上坚实的靠山,很快,新鲜的学术氛围就将吴幸紧紧笼罩,帮助她度过了最初的彷徨和孤独。

  她至今还记得第一次通过电镜看到原子时的场景。为了捕捉清晰的原子像,除了必须保持黑暗、抗磁、抗振的实验环境外,还要在冰冷的环境下对电镜进行长达数小时的调试。“那天我调试完显微镜,人已经冻得发僵了,但是看到原子的那一刻,哇,一下子开心极了。我还特地把这张原子成像打印出来,贴在了我的办公室里。”

  指甲盖大小的芯片上布满了无数纳米级别的晶体管元器件,但基本性能指标再高的电子元件,其可靠性也不一定高。吴幸的研究方向就是通过透射电子显微镜技术,给出元器件的可靠性分析和改进意见,帮助芯片适应各种极限环境,比如航空航天。换句话说,如果芯片是工业的粮食,那吴幸的工作就是帮助筛选最好的种子,让一碗普通的大米饭变得更有营养,在关键时刻还更扛饿。

  传统的透射电子显微镜只能看到静态的原子形态,就像给原子拍了一张照片。但原子在光、力、热、电等场域条件下是如何反应的,却无法通过一张静态照片获知。如果能给这台“照相机”增加一个摄像功能,使它记录的影像“动起来”,并能够配合设定的光、力、热、电参数条件反应出真实的原子形态,岂不是能更直观地了解这个材料作为晶体器件的可靠性吗?

  带着这样的想法,吴幸翻阅了很多文献资料,终于发现了一个业内乏人问津的技术手段“in-situ”——“原位”。吴幸解释说,就是一个动态实时再现原子状态的手段,恢复了原子在光、力、热、电场的“原位”状态。当时,“原位”这一技术几乎没有人用在微电子研究领域中。

  然而,“原位”技术的实现难度超出了她的想象。基于原位电镜的器件性能调控,需要在不破坏真空环境的条件下,向几毫米极微小环境中的原子提供电场、热场、力场、光场等,并保持原子像的分辨率不变,难度可想而知。

  一次次的失败,吴幸很少找导师哭诉,相反,Kinleong Pey教授经常会主动问她:“Wu,最近有什么新发现吗?”带着对微电子科研事业的热爱和导师的期许,吴幸从未想过放弃。

  就在相关实验室仍在按传统方法做先进纳米器件可靠性测试时,吴幸终于实现了在真空环境下向透射电镜中加入各种物理场,不降低分辨率的完成动态实时捕捉再现原子的技术目标。

  2012年,吴幸仅用了3年半的时间,读完了需要5年的博士课程。2014年正式加入华东师范大学,“出国前就想一定要回来的”,吴幸说,“更开心的是,我能把这项技术一同带回国”。

  “小创新”被诺奖得主点赞

  从之前沸沸扬扬的中兴事件、华为事件,到近期的中美贸易问题,无不透露着这样一个讯息,核心技术如果不能实现自主产权,只能等着被“卡脖子”。吴幸把这项创新的技术带回国,不仅为“卡脖子”行业带来了新的改进提升手段,也为一系列工程学问题提供了新思路,一项“小小的创新”,令她先后获得了14项发明型专利,形成了技术“专利群”。

  “一点点小创新,结果就大不一样”。在传统电镜时代,如果要寻找一款可靠性强的材料,企业要像爱迪生寻找合适的灯丝那样进行无数次地试错,而通过基于原位电镜的器件性能调控手段,可以模拟所需要的产品使用环境,实时检测并提升材料的可靠性,极其高效地筛选出最优材料,大大降低了研发成本。

  英飞凌、华为等众多行业巨头纷纷找上门寻求合作。半导体行业公司(AMD)请吴幸团队为他们一款晶体管的核心结构——作为高介电常数栅介质层的金属栅寻找合适的材料。

  吴幸及其团队的研究成果得到国际同行的认可, 2010年诺贝尔物理学奖获得者、发现“石墨烯”的英国物理学家诺奥肖洛夫(Konstantin Novoselov)教授都大篇幅引用了吴幸及其团队发表的相关论文。受这一创新的启发,这项基于原位电镜的独特可靠性测试手段,也开始广泛运用于其他领域。

  让科学流行起来

  作为学校最年轻的女教授之一,除了科研,吴幸对身边的世界了解并不多,她甚至没使用过“饿了么”,也没用过共享单车。但是为了带好90后、00后学生,她学会了很多“年轻人的话语”:“和他们讲‘团队精神’‘相互协作’,他们不一定听得进去。但是叫他们‘打配合’‘加辅助’‘carry全场’,他们就起劲了。”

  她的学生们也不负众望,国家奖学金、全国研究生电子设计大赛一等奖、上海市优秀毕业生等……捷报频传。

  但吴幸也有她的忧虑。信息技术的日新月异,带动了微电子产业的飞速发展,进入Apple、Intel、华为、汇顶等知名微电子企业工作的毕业生层出不穷。感到欣慰的同时,吴幸产生了这样的忧虑:如果微电子人才都选择进入企业开展微电子后端领域相关技术工作的话,我国的微电子相关技术要如何进一步发展并走到国际研究的前沿呢?她希望微电子领域人才的职业选择可以更加多样化,在未来能够有更多热爱微电子的人选择沉下心来,开展对我国微电子领域快速发展更有帮助但也相对更枯燥的前端基础研究创新工作。

  采访中问过她一个问题——你从事研究工作的乐趣从哪里来呢?她的回答朴素而真实:“当我发现我研究得到的结果和我当初假设的一样时,我就感到很快乐。”