“纳米积木”（原子层范德华纳米材料及其异质结构），就是把不同的层状材料的单层或少层分离出来，像搭积木一样，通过堆叠、旋转等方式，设计特定的形状或结构，形成一个自然界中不存在的 “人造晶体”。
山西大学光电研究所韩拯就是玩转 “纳米积木” 的一位年轻教授，他通过设计特殊的结构，借用传统半导体器件的范例，在微纳米尺度新型半导体结构，展示了二维层状材料垂直组装电子器件的诸多新奇物理现象。
韩拯和合作者首次利用二维原子晶体替代硅基场效应鳍式晶体管的道沟材料，在实验室规模演示了目前世界上沟道宽度最小的鳍式场效应晶体管，将沟道材料宽度减小至 0.6 纳米。同时，获得了最小间距为 50 纳米的单原子层沟道鳍片阵列。
此外，他带领的研究团队首次报道的二维本征铁磁半导体自旋场效应器件，为继续寻找室温本征二维铁磁半导体提供了指导意义。
图 | 《麻省理工 科技 评论》“35 岁以下 科技 创新 35 人” 2020 年中国区榜单入选者韩拯
凭借上述研究成果，韩拯成功入选 “35 岁以下 科技 创新 35 人”（Innovators Under 35）2020 年中国区榜单，获奖理由为用二维功能材料制造新型的纳米电子器件，以新型的原子层次制造路线突破半导体工艺，为后摩尔时代晶体管工艺寻找新方案。
铅笔芯的主要成分是石墨，是典型的范德华材料。由于石墨中碳原子层与层之间的范德华结合力较弱，在纸上写字过程当中笔尖上“蹭”下来的二维碳纳米片，就成为了宏观下人们看到的字迹。直到 2000 年左右，英国曼彻斯特科学家安德烈・海姆（Andre Geim，AG）和康斯坦丁・诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）首次把石墨的单原子层（约 0.3nm 厚）分离了出来，并因此获得了 2010 年诺贝尔物理学奖。
韩拯以此为灵感，对物理、材料工程、微观世界等科学领域愈发好奇，这也跟他的成长经历息息相关。
韩拯是江苏人，本科考入吉林大学物理学院，开始核物理专业学习。之后考入中国科学院金属研究所材料学硕士专业。2010 年，他在法国国家科学中心 CNRS 下属的 NEEL 研究所攻读纳米电子学与纳米 科技 博士学位。其导师对于他的评价是：“年轻躁动、充满创新活力。”
之后他作为博士后，在美国哥伦比亚大学物理系，从事范德华人工异质结构的维纳器件量子霍尔效应和电子光学等物理性能研究。
“随着对自身行业的不断深入了解和研究，渐渐地进入了角色，也爱上了科研。” 韩拯告诉 DeepTech。
期间，他作为共同第一作者，完成了二维d道输运电子在 pn 结界面的负折射工作，为实现新的电子开关创造了基础，被 Physics World 杂志评为 2016 年度十大物理学突破之一。
在 2015 年 9 月，而立之年的韩拯决定回国，之后一直在中国科学院金属研究所开展新型人工纳米器件的量子输运调控研究。
对于他而言，在研究当中最享受和最开心的事莫过于，本来一个不太明白的事，不断地通过数据积累与同行讨论之后把它弄明白。
之后，韩拯团队以少数层二硫化钼为研究体系，利用超薄（少数原子层）的六方氮化硼（h-BN）作为范德华异质结的隧穿层，系统开展了隧穿晶体管器件研究。
图 | 硫化钼隧穿晶体管光学照片（比例尺 5 微米）、多工作组态整流效应、以及垂直方面切面图
通过在金属和半导体 MoS2 界面之间引入隧穿层 h-BN，可有效降低界面处的肖特基势垒，从而实现通过局域栅电极对通道 MoS2 费米能级的精确静电调控。所获得的 MoS2 隧穿晶体管仅通过门电压调控，即可实现具有不同功能的整流器件，包括 pn 二极管、全关、np 二极管、全开器件。
这项工作首次将双向可调的二极管和场效应管集成到单个纳米器件中，为未来超薄轻量化、柔性多工作组态的纳米器件提供了研究思路。
之所以选择纳米新材料这个方向，除了自身专业背景之外，更重要的是韩拯对科学一直抱有好奇心。
对此，韩拯表示：“硬盘的读写速率速度越来越跟不上 CPU 的运行速度，如果能把它俩合到一起去做存算一体，可以提高计算机的性能。最直接的方法就是把硅半导体与磁复合到一起，变成一个磁性半导体。”
韩拯团队采用惰性气氛下原子层厚度的垂直组装，发现 3.5nm 厚的 Cr2Ge2Te6 材料在铁磁居里温度以下能够保持优秀的载流子导通性，并且能够实现电子与空穴的双极场效应。该型纳米器件在门电压调控下，磁性亦能得到有效调控，并且与电输运相仿，存在双极门电压可调特性。
“磁性的来源是电子自旋和自旋之间的相互作用。目前，人们发现的室温铁磁性基本上要么在金属当中，要么在绝缘体当中，半导体的磁性很难维持到室温。科学家们一直在积极研究寻找室温下堪用的磁性半导体。” 韩拯告诉 DeepTech。
少数层 Cr2Ge2Te6 是目前已知的首个拥有内禀自旋和电荷态密度双重双极可调特性的二维纳米电子材料，这为继续寻找室温本征二维铁磁半导体提供了一定的指导意义。
例如，来自新加坡国立大学的研究团队在该研究基础上，进一步加强了离子掺杂胶的载流子浓度，将少数层 Cr2Ge2Te6 的铁磁居里温度增强了 4 倍，达到 250K（零下 25 摄氏度）温度。
除此之外，韩拯与合作者首次针对具有巨大面内电导率各向异性的二维材料碲化镓，通过垂直电场实现了对该各向异性电阻率比值的调控，从 10 倍调控至高达 5000 倍，该数值为目前已知二维材料领域里报道的最高记录。
这意味着发现了电子世界的 “交通新规”：在晶格传输过程中，受外电场的影响，电子的导电特性沿着不同方向表现出了一定的差异。
也就是说，如果将电子传输通道比喻成两条垂直的繁华街道。当没有电场时，一条是另一条通过率的 10 倍左右。一旦施加一定强度的外电场，这两条 “车道” 上的电子通过率差别可高达 5000 倍。
站在科幻角度来描述，这种材料可以制作成为一种新型各向异性存储器，当该存储器中一次性写入的数据，沿其中一个方向读取出来的是一本小说，而沿另一个方向读取出来的，则是一部电影。
发现的二维极限 GaTe 纳米电子器件展示出了门电压可调的、面内巨各向异性电阻效应（Giant Anisotropic Resistance），为实现新型各向异性逻辑运算、存储单元、以及神经元模拟器件等提供了可能。
之后，韩拯与合作者湖南大学刘松教授、金属研究所孙东明教授等人，首次提出了利用二维原子晶体替代硅基场效应晶体管 FinFET 的 fin 的沟道材料，通过模板生长结合多步刻蚀的方法，制备出了目前世界上沟道宽度最小的（0.6nm）鳍式场效应晶体管（FinFET），也是目前世界上最薄的鳍式晶体管。
FinFET 是一种为了解决由于进一步集成化需求，硅基平面场效应晶体管的尺寸被进一步缩小所引起的短沟道效应等问题，采用将沟道和栅极制备成 3D 竖直形态的鳍（fin）式晶体管。然而，受限于目前微纳加工的精度，报道的硅基 FinFET 沟道宽度最小约为 5nm。
该团队采用自下而上 Bottom-up 的湿法化学沉积，在高度数百纳米台阶状的模板牺牲层上连续保形生长单层二维原子晶体半导体，最终将 FinFET 的沟道材料宽度缩小至单原子层极限的亚纳米尺度（0.6 nm），几乎达到物理极限。
同时，采用多重刻蚀等微纳加工工艺，基于此制备演示了最小间距为 50 nm 的单原子层沟道鳍片阵列，为后摩尔时代的场效应晶体管器件的发展提供了新方案。
在工业界，尤其在半导体工业，大家都希望芯片的尺度越来越小，性能越来越高。FinFET可以把平面通道变成站立通道，这样就节约了大量的空间，如此一次就能在更小的面积里，储存更多的芯片或运算单元。
简单来讲，韩拯其主要研究的是功能材料在尺寸非常非常小的时候，有哪些有趣的物理性质和新奇的物理行为，并进一步利用这些有趣的物理现象，来组装制造成纳米尺度下的低功耗、多功能、智能化的小型电子器件。
事实上，一些范德华材料已经在例如透明柔性电子、能源催化等诸多性能方面超越了传统材料，具有诱人的发展前景。
“团队目前虽然以基础研究为主，但也正在逐渐努力从实验室走向应用，我们需要进一步在原始创新以及与应用研究交叉结合等方面多下功夫”。如何实现从零到一的创造发明，并不断加强研究的深度，将是韩拯团队后续工作中的首要目标。
“我们知道这很难，但是仍然要努力学习做一名孤独的研究者，一方面，是静下心来钻研的孤独，另一方面，则是在创新创造上独树一帜。” 韩拯告诉 DeepTech。
在下一阶段，韩拯表示将继续深耕纳米积木领域，专注在新原理、新结构、新制造方式等科学目标。用自下而上、原子层次制造的路线，与目前主流的自上而下半导体工艺相结合，从而展现更多的可能性。
相信在摩尔定律行将失效不久的将来，小尺寸的突破口，一定出现在纳米制造领域，例如自组装、生物模版、原子层次 3D 打印等等。
如何获得室温铁磁性半导体，是量子计算、高频器件、高密度信息存储的一个重要环节。国际权威期刊《Nano Today》近日刊文显示，郑州大学许群教授课题组利用CO2在非范德华力晶体孔道内构建强内应力场，成功制备出具有室温响应的二维铁磁性VO2。
许群介绍，面对更先进的信息技术需求，在更高集成度、更高快速响应、更低功耗等方面对电子器件有更高的要求。二维铁磁材料由于其少层原子层厚度和可控的电子自旋，已成为下一代自旋电子器件的研究热点。
他说，现有非磁性二维材料中诱导磁矩是通过调节应变、边缘结构或缺陷工程来引入电荷载流子，这些都集中在外部诱导磁响应上，如何突破传统制备模式并深刻理解二维铁磁材料的本征特性极具重要意义。
过渡金属氧化物VO2表现出许多新的物理现象，如金属-绝缘体转变和室温铁磁性。在强相关过渡金属氧化物（TMOs）材料中，d层和f层电子其自由度（自旋、电荷和轨道矩）的相互作用使得结构和磁性对温度、压力和组分等参数的微小变化非常敏感，然而多数情况，来自外部诱导的局部磁矩非常弱，并且产生的磁性通常只关联表面少数原子。因此相较于缺陷工程，如何打破序参量的对称性，在材料中创造新的表面或诱导晶体到无定形的转变，进而产生本征磁各向异性，是一个有效的路径。
许群教授课题组提出一种CO2诱导相变工程策略，将非范德华体相VO2成功转化为室温响应的2D铁磁体。引入的CO2不仅可以引发材料表界面相变，还可以在VO2的晶格孔道中产生强大的内力场，由此导致的共价键选择性断裂，将三维VO2晶体转化为二维纳米片，最终获得“锁定”的亚稳相的2D拓扑结构并表现出显著增强的室温铁磁响应。该研究工作为二维非范德华铁磁体的制备开辟了一条新途径，同时对CO2在晶体孔道中产生的内应力及其关联亚稳相产生的机理进行了探讨，为进一步拓展超临界CO2在构筑新型纳微结构上的应用奠定了实验和理论基础。该工作得到了国家自然科学基金、郑州大学一流学科计划等项目的支持。
编辑/范辉
像电子这样的带电粒子在电场和磁场的影响下运动时，可以表现出相互影响的方式。例如，当磁场垂直于载流导体的平面施加时，内部流动的电子由于磁力而开始偏离侧面，很快，导体上出现了电压差。这种现象被称为"霍尔效应"。 然而，霍尔效应并不一定需要摆弄磁铁。事实上，它可以在具有长程磁秩序的磁性材料中直接观察到，如铁磁体。
科学家将这种现象命名为"反常霍尔效应"（AHE），它似乎是霍尔效应的一个近亲。然而，它的机制要更复杂一些。目前，最被接受的一种说法是，AHE是由电子能带的一种被称为"贝里曲率"的特性产生的，它是由电子的自旋和它在材料内部的运动之间的相互作用产生的，更常见的是"自旋-轨道相互作用"。
磁性排序对AHE来说是必要的吗？最近的一个理论表明并非如此。"理论上已经提出，即使在磁秩序消失的温度以上，也有可能出现大的AHE，特别是在具有低电荷载流子密度、电子间强交换作用和有限自旋手性的磁性半导体中，这与自旋方向相对于运动方向有关，"东京工业大学（Tokyo Tech）的副教授内田博士解释说，他的研究重点是凝聚态物理。
出于好奇，内田博士和他在日本的合作者决定对这一理论进行测试。在《科学进展》上发表的一项新研究中，他们研究了一种新的磁性半导体EuAs的磁特性，该材料只知道有一个奇特的扭曲三角形晶格结构，并观察到23K以下的反铁磁（AFM）行为（相邻的电子自旋排列在相反的方向）。此外，他们观察到，在有外部磁场的情况下，该材料的电阻随温度急剧下降，这种行为被称为"巨大的磁电阻"（CMR）。然而，更有趣的是，CMR甚至在23K以上也被观察到，在那里AFM的秩序消失了。人们很自然地理解，在EuAs中观察到的CMR是由稀释的载流子和局部Eu2+自旋之间的耦合引起的，这种耦合在很大的温度范围内持续存在。
然而，真正夺人眼球的是霍尔电阻率随温度的上升，它在70K的温度下达到顶峰，远远高于AFM排序温度，这表明在没有磁性排序的情况下，大型AHE也是可能的。为了了解是什么导致了这种非常规的AHE，研究小组进行了模型计算，结果显示，这种效应可以归因于三角晶格上的自旋簇对电子的倾斜散射，在这种"跳跃制度"下，电子不流动，而是在原子之间"跳跃"。
这些结果使我们在理解磁性固体内部电子的奇怪行为方面更近了一步。新发现有助于阐明三角晶格磁性半导体，并有可能打开一个新的研究领域，即针对稀释的载流子与非常规的自旋有序性和波动的耦合。
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