兩年無進展，課題險遭放棄！團隊歷時5年終發(fā)Nature

一、一個看似"天方夜譚"的科學(xué)設(shè)想

2019年，香港大學(xué)副教授褚智勤與南方科技大學(xué)助理教授李攜曦在一次學(xué)術(shù)討論中，提出了一個極具挑戰(zhàn)性的研究目標(biāo)：制備大面積、平整且高質(zhì)量的金剛石薄膜。

這一設(shè)想的科學(xué)價值不言而喻。金剛石作為自然界已知最堅硬的材料，不僅是珠寶界的珍貴寶石，更是電子和光子材料領(lǐng)域的"珠穆朗瑪峰"。它具有超寬禁帶、超高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在半導(dǎo)體器件、量子探測、高功率電子器件等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

然而，傳統(tǒng)金剛石材料多為塊狀或顆粒狀，難以加工成薄膜形態(tài)，這極大地限制了其在現(xiàn)代微電子和光電子器件中的應(yīng)用。

"如果能獲得大面積、平整的金剛石薄膜，就能實現(xiàn)金剛石材料在芯片、傳感器、量子器件等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。"褚智勤回憶當(dāng)時的研究動機時表示。

但他也清楚，這一目標(biāo)的難度極高——金剛石的原子結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)鍵極強，如何在保持其優(yōu)異性能的同時，將其剝離成薄膜形態(tài)，是一個世界級的科學(xué)難題。

2020年，一位新加入課題組的博士后研究人員接下了這一課題。然而，科研的道路遠比想象中艱難。整整兩年時間，研究團隊嘗試了多種方法，包括化學(xué)氣相沉積、離子注入剝離、激光剝離等技術(shù)路線，但均未取得實質(zhì)性突破。金剛石薄膜要么無法完整剝離，要么表面質(zhì)量極差，要么面積太小無法滿足應(yīng)用需求。

"兩年沒有任何進展，這位博士后最終選擇了離開，另謀職業(yè)。"褚智勤坦言，那段時間整個課題組都籠罩在挫敗感中，"連我自己都想砍掉這個課題，畢竟世界上沒有人做出來過，我們憑什么能成？"

二、偶然發(fā)現(xiàn)與"反直覺"的突破

科研中的重大突破，往往源于偶然的觀察與大膽的聯(lián)想。

課題的轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在博士生景紀祥（現(xiàn)為課題組博士后）的一次實驗室意外中。那天，景紀祥在操作過程中不小心碰破了一塊金剛石的邊角，發(fā)現(xiàn)破損處有一小片材料翹了起來。這個細節(jié)引起了他的注意：金剛石的邊緣結(jié)構(gòu)是否隱藏著剝離的可能性？

"能不能直接用剝離的方法把膜揭下來？"景紀祥向褚智勤提出了這個看似瘋狂的想法。

這個想法確實"反直覺"。金剛石以極高的硬度和脆性著稱，莫氏硬度達到10級，是自然界最堅硬的物質(zhì)。在常規(guī)認知中，金剛石受力后極易碎裂，而非彎曲或剝離。用物理方法從塊狀金剛石上撕下完整的薄膜，聽起來就像"從鋼板上撕下一層紙"一樣不可思議。

但褚智勤敏銳地意識到，這一思路或許值得嘗試。"科研本身就是需要在無人區(qū)馳騁。簡單、易做的事情沒什么風(fēng)險，當(dāng)然也不會有大的收益。雖然很難，但我們還是想拼一拼。"他決定支持景紀祥探索這一方向。

研究團隊開始系統(tǒng)性地優(yōu)化剝離工藝。他們發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在于精準(zhǔn)控制剝離的起始點和力學(xué)條件：首先通過特定方式破壞金剛石的一個邊緣，暴露出一個新鮮的缺口，形成最優(yōu)的"剝離窗口"；然后從這個窗口的特定角度施加機械力，利用金剛石晶體結(jié)構(gòu)的各向異性，實現(xiàn)薄膜的完整剝離。

這一過程完全基于物理方法，不涉及任何化學(xué)溶液或化學(xué)反應(yīng)。因此，剝離出來的金剛石薄膜保留了原始生長面的完整性和高質(zhì)量，表面平整度極高，晶體結(jié)構(gòu)完美。

經(jīng)過數(shù)百次參數(shù)優(yōu)化和工藝調(diào)試，團隊終于獲得了令人振奮的結(jié)果：不僅成功剝離出完整的金剛石薄膜，而且薄膜面積達到兩英寸以上（實際實驗室條件下已實現(xiàn)超過4英寸），厚度極薄，更重要的是——這張金剛石膜具有柔性，可以像一張紙一樣卷曲起來。

"這是世界上首次實現(xiàn)碳材料家族中金剛石薄膜的大規(guī)模剝離。"景紀祥在論文發(fā)表后表示，"自2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov用膠帶剝離出石墨烯并獲諾貝爾獎以來，二維材料研究持續(xù)火熱，但金剛石作為碳材料的另一重要成員，其薄膜化一直未能突破。我們等了整整20年，終于填補了這一空白。"

三、柔性金剛石：性能調(diào)控的全新維度

這項研究的意義不僅在于實現(xiàn)了金剛石薄膜的制備，更在于發(fā)現(xiàn)了一種全新的材料性能調(diào)控方式。

傳統(tǒng)上，要將金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體材料，需要通過摻雜（如摻入硼、氮等元素）來改變其電子結(jié)構(gòu)。然而，金剛石半導(dǎo)體的摻雜研究一直面臨巨大困難：摻雜效率低、摻雜均勻性差、高溫工藝復(fù)雜等問題制約了其發(fā)展。

褚智勤團隊發(fā)現(xiàn)，通過力學(xué)形變可以調(diào)控金剛石薄膜的半導(dǎo)體性能。由于薄膜具有柔性，可以通過彎曲、拉伸等機械方式改變其晶格結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。這一發(fā)現(xiàn)開辟了一條全新的研究賽道——"柔性金剛石電子學(xué)"。

"我們可以像處理紙張一樣處理金剛石，通過簡單的力學(xué)操作就能改變其電子性能，這在以前是不可想象的。"褚智勤解釋道，"這種柔性非常重要，它為金剛石材料在可穿戴設(shè)備、柔性電子、生物傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。"

論文中展示的金剛石薄膜展現(xiàn)了諸多優(yōu)異性能：超高的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的光學(xué)透過性、出色的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性。研究團隊相信，這一材料將在電子、光子、機械、熱學(xué)、聲學(xué)和量子技術(shù)等多個領(lǐng)域大放異彩。

四、頂刊投稿的曲折歷程：從Science到Nature的兩次拒稿

科學(xué)研究的殘酷性在于，即使做出了突破性成果，獲得學(xué)術(shù)界的認可也并非易事。

2023年11月，研究團隊完成了論文初稿。褚智勤和合作者們對這項工作充滿信心，認為其科學(xué)價值和創(chuàng)新性足以在頂級期刊發(fā)表。經(jīng)過分析，他們首先將論文投給了Science。

"我們當(dāng)時認為，Science可能更喜歡這種突破常規(guī)思維的研究內(nèi)容。"褚智勤回憶道。

稿件送審速度很快，但反饋結(jié)果卻令人沮喪。三位審稿人的意見呈現(xiàn)出極端分化：第一位審稿人對研究極盡贊賞，認為這是一項具有里程碑意義的工作；第二位審稿人卻極力反對，質(zhì)疑金剛石材料的實際應(yīng)用價值，認為"這種材料沒有特別大的用處"；第三位審稿人承認文章有趣，但認為不適合在Science發(fā)表。

褚智勤盡了最大努力回復(fù)審稿意見，試圖說服編輯。然而，Science編輯最終回復(fù)稱，經(jīng)過深入討論，艱難地做出了拒稿決定。

"第一次被拒確實很打擊人，但我們始終堅信這項研究的重要性。"褚智勤表示。2024年1月，團隊將論文轉(zhuǎn)投Nature。

然而，等待他們的是又一次閉門羹。Nature編輯在未送審的情況下直接拒稿，指出論文"還有一些內(nèi)容沒講清楚，一些測試還沒有做，可能達不到發(fā)表水平"。

但這一次，褚智勤從拒稿信中讀出了不同的信息。"雖然被拒，但能感覺到編輯對這項工作的喜歡，看到了些許希望。我們猜測，編輯希望能看到更多證據(jù)來證明金剛石膜的質(zhì)量優(yōu)異性。"

團隊沒有氣餒，而是選擇了最務(wù)實的應(yīng)對方式：補充實驗，完善數(shù)據(jù)。

接下來的四個月，景紀祥和其他團隊成員投入了大量時間進行補充研究：對薄膜質(zhì)量進行更系統(tǒng)的分析，補充多種表征測試，完善實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，增加總結(jié)性圖表，整理更詳盡的參考文獻……論文內(nèi)容增加了好幾十頁。

"這個過程真的要擺正心態(tài)。就好比參加考試，如果你是為了考試而考試，這個過程一定是痛苦的。其實最終結(jié)果好與壞，自己無法評估，但心態(tài)是最重要的。

同樣是參加考試，如果你先不考慮最后的結(jié)果如何，而是把重點放在復(fù)習(xí)的過程中，全身心投入復(fù)習(xí)，你就會產(chǎn)生很多思考，人生價值觀、經(jīng)驗、認知、科研能力等都會得到提升。"褚智勤這樣總結(jié)這段經(jīng)歷。

2024年4月，做好萬全準(zhǔn)備的研究團隊再次向Nature投稿。這一次，文章很快進入送審流程，審稿過程也異常順利。三位審稿人都給出了相對正面的評價，認為這是一項重要的技術(shù)突破。經(jīng)過兩輪修改，論文于10月被正式接收，12月在Nature正刊發(fā)表。

五、科研傳承：從德國導(dǎo)師到港大實驗室

褚智勤的科研理念和治學(xué)態(tài)度，深受其博士后導(dǎo)師、德國斯圖加特大學(xué)教授Joerg Wrachtrup的影響。Wrachtrup教授是量子探測領(lǐng)域的泰斗級科學(xué)家，以其對科學(xué)的純粹熱愛和嚴謹態(tài)度著稱。

"我們都很尊重他，欣賞他做科研的態(tài)度以及對科學(xué)的執(zhí)著。"褚智勤回憶道，"前一陣他到香港開會，我約他到港大來看看，其實是想讓他放松一下，但被'無情'拒絕了。他并不在意吃什么、喝什么、去哪兒玩，也不想聊科學(xué)以外的東西。他從會場趕過來跟我聊了兩個小時，全都是圍繞科學(xué)。距晚上的航班還有幾個小時，他都會回到酒店房間處理科研相關(guān)的事情。"

Wrachtrup教授對學(xué)生的培養(yǎng)方式也深深影響著褚智勤。這位60多歲的老教授非常喜歡鼓勵學(xué)生，愿意給年輕人更多機會。"他并不會從比較功利的角度要求學(xué)生發(fā)文章，更多的是想知道你對科研這件事情是否有熱情，你是不是真的認真沉浸在科研世界的人。"

褚智勤自己也曾有過類似的經(jīng)歷。做博士后期間，他參與過一個極具挑戰(zhàn)性的項目，持續(xù)了很長時間，但最終因為一些原因未能發(fā)表。"這個過程中，我認為一切都值得。因為我積累了很多實驗經(jīng)驗，體會了對該領(lǐng)域的脈絡(luò)分析，與很多研究組建立了很好的聯(lián)系。雖然當(dāng)時沒有發(fā)表Nature或Science，但給我打下了很好的基礎(chǔ)。"

有一件事讓褚智勤記憶猶新。"有一次，Wrachtrup教授到實驗室看我的實驗進展，說想看一下我的實驗筆記。看過后他很不滿意，認為我的筆記不夠詳細。他把我叫到辦公室，從柜子里翻出厚厚一沓當(dāng)年他在讀博時記錄的實驗筆記。我看到上面手寫的密密麻麻、非常清晰詳細的筆記時，很受觸動。"

這種對細節(jié)的嚴謹、對過程的重視，如今被褚智勤傳遞給自己的學(xué)生。

六、育人理念：務(wù)實探索與純粹熱愛

在港大實驗室，每一位新加入的學(xué)生都會聽到褚智勤的"開場白"：從具體的小項目做起，從務(wù)實的目標(biāo)著手，不要好高騖遠，一步步往前走。

"我對每一個學(xué)生說，'我們是一起探索，一起相互配合'。"褚智勤強調(diào)，"科研不是導(dǎo)師布置任務(wù)、學(xué)生執(zhí)行的簡單關(guān)系，而是共同面對未知、共同解決問題的過程。"

他特別看重學(xué)生的內(nèi)在驅(qū)動力。"我希望自己的學(xué)生是發(fā)自內(nèi)心地?zé)釔劭蒲小Ｗ隹蒲忻鎸κ∈浅B(tài)，我很看重學(xué)生是否可以穩(wěn)住負面情緒，戒驕戒躁。當(dāng)周圍人都不看好的情況下，能不能冷靜地去扭轉(zhuǎn)局面，能不能逆流而上，開辟一片新的天地。這些是做科研應(yīng)有的本質(zhì)。"

這種育人理念與當(dāng)年Wrachtrup教授對他的培養(yǎng)一脈相承。在褚智勤看來，科研訓(xùn)練不僅是技術(shù)能力的提升，更是思維方式和人格品質(zhì)的塑造。"不浮躁，踏踏實實地做好每一件瑣碎的事情，完成每一個小目標(biāo)"——這是他在科研長跑中堅守的價值觀，也是他希望傳遞給學(xué)生的核心品質(zhì)。

七、技術(shù)前景與未來展望

金剛石薄膜技術(shù)的突破，為多個領(lǐng)域帶來了新的可能性。

在電子器件領(lǐng)域，柔性金剛石薄膜可用于制備高功率、高頻率、耐高溫的半導(dǎo)體器件，突破現(xiàn)有硅基材料的性能極限。其超高的熱導(dǎo)率（遠高于銅和硅）使其成為理想的散熱材料，可解決高功率芯片的熱管理難題。

在光子學(xué)領(lǐng)域，金剛石具有從紫外到遠紅外的寬光譜透過性，是制備光學(xué)窗口、透鏡、濾波器的理想材料。薄膜化后，可集成到微型光電子系統(tǒng)中。

在量子技術(shù)領(lǐng)域，金剛石中的氮-空位色心（NV center）是極具潛力的量子比特載體。大面積、高質(zhì)量的金剛石薄膜為規(guī)模化量子計算和量子傳感提供了材料基礎(chǔ)。

在機械和熱管理領(lǐng)域，柔性金剛石膜可用于制備高性能的MEMS器件、聲學(xué)器件和熱界面材料。

褚智勤團隊目前正在推進這項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。"我們已經(jīng)能在實驗室制備出超過4英寸的金剛石膜，下一步是進一步提高面積、降低成本、優(yōu)化性能，推動其在半導(dǎo)體、量子計算等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。"

八、結(jié)語：在無人區(qū)賭一把

回顧這五年的研究歷程，褚智勤感慨萬千。

從2019年的設(shè)想，到2020-2022年的兩年停滯，再到2024年的Nature發(fā)表，這條路走了整整五年。期間有博士后的離開，有課題險些被砍掉的危機，有兩次頂刊拒稿的打擊，也有偶然發(fā)現(xiàn)帶來的轉(zhuǎn)機，有補實驗時的埋頭苦干，最終迎來論文接收的喜悅。

"我覺得人生就應(yīng)該去賭一把。"褚智勤說，"就看愿不愿意下血本，簡單、易做的事情沒什么風(fēng)險，當(dāng)然也不會有大的收益。雖然很難，但我們還是想拼一拼。"

這場"賭局"，他們贏了。但比Nature論文更重要的，是這段科研長征中積累的經(jīng)驗、錘煉的心智、傳承的精神，以及為未來研究開辟的新方向。

在科學(xué)史上，從石墨烯到金剛石，碳材料家族的二維化進程跨越了二十年。港大團隊的這項工作，不僅填補了一項技術(shù)空白，更證明了：即使面對"不可能"的材料、"沒人做過"的領(lǐng)域，只要有足夠的耐心、敏銳的觀察、大膽的嘗試和純粹的堅持，天方夜譚也能成為現(xiàn)實。