24歲成為博導，電子科大研究員用兩顆鉆石，讓原子級厚度的材料變薄，可用于新型超高壓傳感器 | 專訪

“我曾幾度因為‘ 90 后博導’的標簽上了熱搜，也不知道是不是因為上了熱搜，我又再一次站在這個臺上。好一個復雜曲折的‘莫比烏斯環’，雖然看似經過兩年又回到了（入職時的）起點，但卻是兩種完全不同的狀‘態’，也從來沒有停下過努力向前的腳步。”

2020 年秋季，在電子科技大學格拉斯哥學院開學典禮上，該校基礎與前沿研究院的博導夏娟，代表全學院導師發言。本次采訪中，她向 DeepTech 獨家透露了這份演講稿。

夏娟是四川廣安人，出生于 1994 年，4 歲上小學，24 歲成為大學老師。今年 27 歲的夏娟，主要研究凝聚態物理，其本科畢業于四川大學材料科學專業，博士畢業于新加坡南洋理工大學物理與應用物理系。

促使中國西部高校誕生首篇 Nature Physics  第一單位和通訊單位論文

幾個月前，夏娟以第一作者和共同通訊作者身份，讓中國西部高校誕生了首篇以第一單位和通訊單位發表在 Nature Physics 的原創研究論文，其他合作者有電子科大王曾暉教授、南工大閆家旭研究員等。

論文題為《二硒化鎢 - 二硒化鉬雙層異質結的層間強耦合及高壓調控研究》（“Strong coupling and pressure engineering in WSe2-MoSe2 heterobilayers”）。

俗語稱，人無壓力輕飄飄，井無壓力不出油。這不僅適用于教育學和心理學等領域，也同樣適用于物理學。

本次研究中的金剛石對頂砧（DAC）裝置，其主要構成部分是兩顆尖對尖的鉆石，也就是金剛石壓砧。其中，兩顆金剛石尖頂之間的極小墊片包裹著鉆石。

夏娟表示，當推動金剛石壓砧中的兩顆金剛石相向而行時，金剛石尖頂之間的空間被急劇壓縮 ，空間中除了樣品 ，還充滿了硅油等液體傳壓介質，由此可見實驗難度非同一般。

而墊片就像緊箍咒一樣，可以緊緊箍住液體傳壓介質，從而讓其 “無處可逃”，這時樣品所處空間的壓強就會急劇上升 ，進而會給樣品施加可達百萬個大氣壓的超大 靜水壓 。

談到這里，她舉例稱， 這和潛水員潛入深海時會受到不斷增加的水壓，是一樣的道理。 

本次研究中，她利用可產生百萬大氣壓強的 DAC 裝置，對比千分之一蟬翼厚度還要薄的二維異質結材料，實現了高效壓縮，并系統研究了二維異質結的層間激子發光、電子能帶結構等物理特性隨壓強變化的響應。

從結構上來說，這里的二維異質結可以認為是，通過特定方法把不同二維材料堆疊起來，從而生成新的二維材料體系。就好像把幾片‘蟬翼’貼一起，從而形成新的 “復合蟬翼”。

在實驗凝聚態物理的研究中，“壓強工程” （Pressure engineering） 是一個重要的調控材料物理特性的手段，它不僅能和電學研究以及原位光學相結合，還具備高效、連續、可逆等優勢。

人類日常生活的壓強是 1 個大氣壓，海底一萬米的壓強大約是 1000 個大氣壓，利用本次研究中的裝置，可輕松實現 1000000 個大氣壓的高壓。

她表示，本次研究很像是把二維異質結這種 “復合蟬翼”，放到萬噸水壓機之間，用比泰山還重的極高壓強，去讓兩片 “蟬翼” 貼合得更為緊密。

如此便可改變 “蟬翼” 間的相互作用，進而去觀察上述施壓過程，對整張 “復合蟬翼” 性能的調控作用。

而她研究的二維材料，通常是原子級別的厚度，連蟬翼厚度的千分之一都不到。夏娟表示，在對微小樣品施加超高壓強上，金剛石對頂砧裝置擁有得天獨厚的優勢，也是一個十分強大的實驗手段。

據了解，金剛石頂部砧面的直徑一般僅有幾分之一毫米，這大概是幾根頭發絲加起來的直徑。

因此，在這項研究中，通過使用 DAC 高壓技術，對頂放置的兩顆鉆石的微米級砧面處，可產生接近地心壓強的超高靜水壓環境，進而可給二維材料體系帶來 30%  以上的體積變化，如此便可大幅、且高效地調控所研究的材料體系。

在光電器件以及高壓傳感器方面具有獨特潛力

由于 “層內共價鍵 - 層間范德華作用” 的結構特性、及其多樣化的能帶匹配和層間耦合作用等特點，二維范德瓦爾斯異質結構可表現出豐富的光學、電學和光電特性，在制備新型光子器件、電子器件和光電器件上具有獨特潛力。

尤其是具有強層間耦合作用的二維范德瓦爾斯異質結，其層間激子行為非常顯著，在信息器件領域的應用前景更佳。

但是，二維范德瓦爾斯異質結的層間激子，對于層間距離十分敏感。因此，利用壓強等外界調控手段，來改變二維范德瓦爾斯異質結的間距離，可實現對層間激子及相關物理特性的高效調控。

基于此，在獲得層間強耦合 WSe2-MoSe2 二維范德瓦爾斯異質結的基礎上，利用其層間距離、可被外界壓強高效調控的特點，夏娟采用 DAC 裝置順利實現了高壓下微觀結構和物理特性的原位調控。

此外在實驗中，她還觀察到了這類二維異質結的層間激子行為，在一萬個大氣壓 （1 GPa） 周圍發生的明顯變化，在理論計算該二維異質結、在不同壓強下的電子能帶結構之后，她成功解釋了這一獨特的突變現象。

事實上，以過渡金屬硫化物 （TMDC） 為代表的二維層狀半導體材料，由于其獨特的微觀結構、以及優異的物理化學性質，如原子級厚度、理想的禁帶寬度、高電子遷移率等，已經在光電傳感、自旋 - 谷電子器件、場效應晶體管等電子及光電子領域引起全世界的研究熱潮。

值得一提的是，層間范德瓦耳斯相互作用，是二維材料和其異質結所具有的獨特性質，通過對其進行高效地調控，便可大幅度改變二維材料的物理特性。

在近幾年的研究中，夏娟通過堆垛、壓強和應力等手段，實現了對于二維 TMDC  層間耦合作用的高效調控，也實現了與之相關的結構、光學和光電等物理特性的高效調控。

具體而言，她利用僅具有不同堆垛方式、但相同厚度的同一種材料，來設計并制備出一些納米電學和納米光電器件，這能給未來基于這類新型材料的超快、超薄、超平器件的實現提供一些理論和實驗依據。

同時，利用 DAC 技術提供的超高壓強，實現了對二維異質結中層間耦合作用的高效調控，而這能推動基于這類二維范德瓦爾斯異質結的新型激子型器件研究，也可為新型信息器件的探索和應用提供新思路。

盡管該工作屬于基礎型物理研究，但也具備一定應用價值。無論是在高壓下開展基于新型敏感材料的物理特性研究，亦或是開發新型超高壓傳感器，都可以借鑒本次成果。

此外，對于推動中國深地深海探測技術進步，加速頁巖氣等現代能源產業的發展，本次研究也具備相應的科學意義和應用價值。

“請將每天用到極致，無論學習還是玩耍”

截至目前，夏娟已榮獲 2017 年度中國優秀自費留學生獎、2018 年度南洋理工大學女科學家獎等獎項， 2018 年入選電子科技大學 “百人計劃”。并于去年入選 “2020 中國十大新銳科技人物”

目前，她還擔任 Chinese Physics Letters（CPL）、Chinese Physics B（CPB）、《物理學報》和《物理》四刊聯合青年編委。

2018 年頻上熱搜之后，她坦言：“除了感慨當今自媒體的速度和流量，以及面對一些惡言相向的質疑之外，（但）更多的是感受到了來自整個社會的關心”。

面對質疑，她在回復同學的信件中表示：“爺爺是我沒敢在文章里提到的人，但卻是我對這個世界開啟求知和好奇的啟蒙人。高考的前一個月，我得知了爺爺去世的消息，緊接著的那一次高考模擬測試排名下滑至三十名開外，老師和家人也開始為我擔憂，但還是變著法兒地鼓勵我去夠那個清北夢...... 最后發現分數可以上川大的時候，他們（夏娟父母和哥哥）笑著笑著就哭了，哭完了繼續笑，然后擁抱，慶祝......”

2020 年秋季，已經開始傳道受業解惑兩年有余的夏娟，在開學典禮演講的最后，給學生們留下了這樣的建議：“請不要抱憾過去，更無須空想未來；請將每天用到極致，無論學習還是玩耍；請珍惜屬于你們的時代...... 用力地綻放吧。”

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