“无心”的小助理，“有心”的博士生

2020年9月10日，教师节。

郑小睿是这天入职成为“新手”导师的。当时云栖校区不大，人也不多，但他初来乍到，谁都不认识。

云栖的咖啡吧，在5号楼前放了几张户外的桌椅。10月初，他坐在阳伞下跟人聊天，其中一个介绍了自己正在做的半导体材料，工作做得非常好。郑小睿后来才知道，他就是理学院物理系的另一位导师林效。

“我之前在官网看过他的工作，但没有见过真人。”郑小睿说。

坐在一起的还有工学院材料科学与工程系的导师李文彬。三人一拍即合，打算在低维铁电材料上合作一把。

低维铁电材料，是指在二维或准二维尺度上表现出铁电性质的材料。而铁电性质，是指一种材料即使没有外加电场也能自发产生电极化，并且这种极化可以通过外加电场进行反转的性质。近年来新兴的低维铁电材料，具有超快读写速度、超低功耗和超薄集成特性，有望在未来的类脑计算系统中发挥重要作用，推动人工智能技术的发展。

当时，“西湖四期”博士新生刚刚开学，郑小睿要招生，得等到2021年。于是，他先招了一个科研助理，叫吴梦奇。这个女生刚刚从中科院硕士毕业，因为疫情耽误了出国，打算找一份“过渡”的工作，所以看什么都很“淡”——

一句话，“反正是要出国的”。

吴梦奇

吴梦奇的第一项任务，就是去和林效课题组、李文彬课题组合作。

她一个学生物材料的，从零开始学习低维铁电材料的性能表征，和过去学的内容毫无关系。

林效老师的工作偏理论，二维材料的新奇物性和相变调控是他的研究方向之一；李文彬老师主要致力于先进半导体材料和复杂电子材料中的电声子相互作用、电学输运性质，以及物态调控研究；郑小睿老师的研究为扫描探针技术及应用，非常适合对二维材料进行物性调控及表征。因此，吴梦奇成了三个课题组优势互补的桥梁，她需要用压电力显微镜（PFM）对二维半导体Bi₂O₂Se薄膜施加一个力，并原位观察薄膜是否因为这个力被诱导出了铁电相变。

听上去很简单，但这里头的变化和门道特别复杂。

吴梦奇原本对什么都淡淡的，可能也是因为这样，做着做着就做进去了。一年后，她没再提出国的事，反而通过工学院的招生考核，成了郑小睿在西湖的第一位博士生。

吴梦奇在操作原子力显微镜系统

和林效老师、李文彬老师合作的课题做了两年，吴梦奇成功在Bi₂O₂Se薄膜中观察到了应变诱导的铁电相变，这种相变十分少见，此前只在少数量子顺电材料中被发现。

2023年4月，该成果发表在Advanced Materials（Adv. Mater. 35, 2300450, 2023）上。

在熟悉了低维铁电材料的表征及物性调控的基础上，吴梦奇又与中国科学院物理研究所的白雪冬研究员、王理副研究员以及北京大学的刘开辉教授合作，表征并调控了一种新型二维滑移铁电材料——菱方氮化硼。

2024年5月，该成果发表在Nature（Nature 629, 74, 2024）上，吴梦奇是共同第一作者。

你行，我就不行？

从博后到独立科研工作者，郑小睿需要考虑一幅更系统、更完整的图景。“西湖大学会帮助你快速成长。”他说。

但成长这种事，从来都不是一夜之间完成的。

“一开始总会有惯性。”

郑小睿的本科是在武汉大学，读的电子科学与技术和物理学基地班专业，毕业后保送到中国科学院物理研究所，在那里取得了凝聚态物理专业的硕士学位。之后，郑小睿进入澳大利亚斯威本科技大学的微光子学研究中心（Centre for Micro-photonics），成为了贾宝华教授和顾敏教授的博士生，研究激光制造低维纳米光电器件。低维纳米光电器件也成为了他在美国加州大学圣地亚哥分校、美国纽约先进betway必威棋牌网址 中心、纽约大学等地开展博后研究的方向。

郑小睿博后期间与纽约大学导师Elisa Riedo教授合作，参与了商业化扫描探针纳米制造系统的研发，并利用扫描探针纳米制造技术，做出具备最优整流比的单原子层半导体二极管（Nat. Commun. 11, 3463, 2020）、最优开关比的单原子层场效应晶体管（Nat. Electron. 2, 17, 2019）等微纳电子器件。

2021级的应豪挺，也是郑小睿招的第一届博士生。郑小睿交给他的第一个工作，和自己博后阶段的研究很像，“做一个场效应晶体管，方法几乎一样，但换了一种材料”。

依葫芦画瓢，应该很容易。

应豪挺花了半年时间，完成了这项工作。没想到的是，在那次组会上，他想“发文章”的提议，遭到了导师的否决。

差不多的工作，你当年可以发，为什么到我就不行了呢？

“这次用的新材料，是一种特别的双极性材料，能有效提升晶体管性能。”郑小睿的理由也很充分，“我做博后的时候，用的材料没有这种特性，你的工作不能只是换材料，况且你明明有条件往前多走一步，为什么不呢？”

人都是逆反的，也是畏难的。

应豪挺硬着头皮，在组会后找到导师，说“不行的”，“走不通”。多数时候，郑小睿会坐下来和他讨论方案，提一些建议，并鼓励他“试一把”。

“试一把”，也是郑小睿读博士时来自导师们的鼓励。

“这个过程中，应豪挺最大的转变，就是从一个不愿意去尝试的人，变成了愿意去尝试、最后自主去尝试的人。”郑小睿说，第二阶段的PN结做到最后，很多关键环节的突破都是应豪挺自己试出来的。

那么，这下可以发文章了吧？

这一回，师徒二人有了默契——还不行。

有了PN结，可以做很多事情。“相当于器件具备了逻辑运算的潜力，基本的逻辑运算有7种，就像7种不同形状的乐高积木，有没有一种可能，我们用一个晶体管实现7种不同的逻辑运算呢？”

郑小睿经常“异想天开”，想要all in one。

“应豪挺的第一部分工作，是重复我已经做过的事；第二部分工作，是我知道能做成，但我没做过，需要他去试；到了第三部分，是我也不知道能不能做成，但我觉得有挑战、有意义，我们一起来试一试。”

当应豪挺完成了这三个阶段，发文章是水到渠成的事，是“副产品”。

2023年9月，这篇利用碲同质结材料、通过非侵入性扫描探针光刻技术、成功在单个双极性晶体管中执行7种基本逻辑运算的文章，在Device上发表（Device 1, 100069, 2023）。这项研究对未来的类脑计算和微型化计算设备具有重要意义。

应豪挺

还有一个意外收获，应豪挺成了课题组的“最佳进步”学生，常被拿来作鼓励用。

他已经可以理解导师一以贯之的理念：“如果这个工作我们看得着，它一定是能完成的，我们就要把完成度做好，成果只是‘副产品’。”

打雷要下雨，雷欧！

李自顺，有点不顺。

他和吴梦奇、应豪挺同期，都是2021级博士生。当另外两位同学，一个学成“独门”技术发了文章，一个熬了三个阶段做了完整的工作，李自顺手上的课题似乎走进了死胡同。

入学两年，他最大的进步，可能只有制作晶体管的“手工活”越来越拿手了。

直到2023年春天，大约是惊蜇前后。

那天，雷电交加。开完组会，李自顺和大家一起，从云栖的地下通道走去食堂。他还在想着组会上大家的讨论，关于忆阻器导电线路的随机性和不稳定性，尽管和自己的课题八竿子打不着。

打好饭菜，他坐到郑小睿旁边。

“郑老师，你看外面，有避雷针在控制闪电往哪里打，我们能不能在忆阻器里‘造’一些避雷针，控制放电的方向呢？”李自顺突发奇想。

“好主意啊，试一把！”

李自顺

问题是，怎么造？

忆阻器，顾名思义，是一种具有记忆功能的电阻器件，其电阻值可以根据通过的电流变化而变化，而且断电后还能“记住”之前的电阻值。它可以模拟生物突触的功能，用来构建人工神经网络，所以在类脑计算，特别是在信息存储、仿生神经形态计算、图像处理等领域有着巨大的应用潜力。

但传统忆阻器的不稳定性，限制了它的潜力发挥。

传统忆阻器是金属-介质-金属的结构，上下两层是金属，中间夹着一层介质。由于材料自身缺陷和杂乱形貌，电流会在两层金属之间随机形成，它们可能“乱跑”，也可能中途“失踪”。怎么解决这个问题？

李自顺的办法是，用热探针技术定制介质的微纳形貌，获得人工导电通路。

课题不顺的李自顺，就跟“天线”一样，到处“收集”课题情报。他特别会听，忆阻器的这个短板，就是在组会上听其他同学讲的；他特别会看，和忆阻器、类脑计算相关的文献看了不少；他还特别会琢磨——工学院另一位老师郭成辰，是研究蚕丝蛋白的，有一次他想测一下蚕丝蛋白的热稳定性，就想到了用热扫描探针“烧一烧”。

“蚕丝蛋白烧出的小尖儿，像不像避雷针？”李自顺琢磨着。

这个“尖儿”得非常小，纳米级别的小，太大了起不到有效控制电流方向的作用。

李自顺在制备器件薄膜

之后的实验推进非常快。

在郑小睿的指导下，李自顺利用热扫描探针技术，在丝素蛋白膜上制备了一种全新结构的忆阻器。前两年积累的“手工活”这回派上了大用场——他成功构筑了约10纳米的“蛋白针尖”以及超过50纳米的深度差，精准控制了“蛋白针尖”的尺寸和位置。

有了这样独特的结构，局部的电场会在纳米“针尖”附近率先形成银离子导电细丝，进而实现稳定的器件高低阻态切换，器件的可重复性、稳定性、切换速度都获得大幅提升。

“我很喜欢这个漂亮的工作，特别是学生自己从一个奇妙的想法开始，一鼓作气就做出来了。”郑小睿说。

不久前，这一研究工作发表在Advanced Materials（Adv. Mater. 36, 2308843,2024）上。

他们的故事，正是西湖打动我的地方

一切始于西湖大学云栖校区阳伞下的那次“一拍即合”，三位老师，两个学院。

一切也都还在继续。

围绕吴梦奇研究过的二维半导体材料Bi₂O₂Se，郑小睿课题组2022级博士生赵英杰和林效课题组2021级博士生娄哲丰想了很多办法，最终精准控制了材料表面的氧化过程，使氧化层厚度在纳米尺度上均匀分布，成功制备出高质量半导体/原位高k电介质异质结，实现了自整流忆阻器阵列的高效制备。

几个月前，文章发在Advanced Materials（Adv. Mater. 36, 2406608,2024）上。这也是赵英杰的第一个科研工作。

吴梦奇、应豪挺、李自顺、陈哲、赵英杰……

四年来，课题组的博士生通过一个个研究，把“类脑计算”变成了组会的高频词。从起初的材料，到单一晶体管、晶体管阵列、再到器件，郑小睿正和学生们一起往前走。

郑小睿在学术会议上作分享

在西湖大学，有一个专门面向导师的培训项目，通常是由校长施一公等资深博导担纲，教导刚刚入职的年轻老师们如何从博士、博后成长为一名合格的导师。

如何推动跨课题组、跨学院、跨学科的合作，如何与年轻的学生打交道，如何担负初为人师的责任……郑小睿说，那些曾经在耳边飘过的话，后来一桩桩、一件件在自己的实验室里“应验”了。

就在郑小睿入职前两周， “西湖四期”博士研究生开学典礼上，西湖大学徐益明讲席教授邓力，讲了自己30多年前在哈佛求学的小故事。（完整版故事由此进）