北京大学刘开辉教授团队在晶体制备方面的成果与理念。介绍了晶体制备的重要性以及传统制备面临的问题，详细阐述了刘开辉团队首创的“晶格传质—界面生长”晶体制备新范式，包括该范式产生的契机、制备过程和优势等，还提及团队成员在科研中的探索过程、面临的困难与坚持的信念，以及刘开辉教授对于科研工作者的期望。
晶体，在我们的生活中无处不在且至关重要。从作为精准时间守护者的石英晶体，到用于白内障手术恢复视力的人工晶体，再到制造电子元件的半导体晶体，晶体的作用不可小觑。然而，晶体制备是一项极为精细的技术，就像在微观世界里盖房子一样，原子、分子或离子是“建筑材料”，晶体的内部结构规律则是“设计图纸”。但随着“建筑材料”排列逐渐失去控制，杂质和缺陷不断累积，这微观世界的“房子”就可能变得歪歪扭扭甚至坍塌，这就引发了如何提升晶体制备的稳定性和可控性的思考。北京大学物理学院的刘开辉教授团队给出了答案。他们提出了一种全新的晶体制备方法——“晶格传质—界面生长”。这种方法能让材料像“顶竹笋”一样生长，顶着上方结构不断向上发展。这一方法显著提高了晶体结构的生长速度和均一性，有望为提升芯片的集成度和算力做出贡献，还能为新一代电子和光子集成电路提供新材料，相关成果已在线发表于《科学》杂志。说起这个新范式的发现，还有一段有趣的故事。2014年，刘开辉进入北京大学物理学院组建了以量子材料制备与超快光学技术研究为主攻方向的课题组。2019年6月，团队里“单晶铜箔库”课题组的博士生张志斌在准备高温处理单晶铜箔时，由于铜箔较软需平整置于石英板材之上，为避免石英中的二氧化硅与铜在高温时反应生成铜硅合金，他在铜箔下表面额外放置了石墨纸。这时他突发奇想，既然能做单晶铜箔，能不能尝试制备单晶镍箔呢？第二天，当打开管式炉腔体时，镍箔上表面变黑，这可能意味着长出了厚层石墨。要知道，单晶石墨极难制备，因为石墨材料易解理，很难堆叠成厚层单晶石墨。刘开辉敏锐地察觉到其中巨大的科研潜力，于是带领团队继续攻关，成功将单晶石墨的厚度从1微米提高到35微米，实现了10万层单晶石墨烯的制备。这一成果意义非凡，之前国内科研用的高端石墨材料主要依赖进口，而高质量单晶石墨的制备能让我国在该领域的国际话语权得到提升。在探索单晶石墨生长背后的物理机理时，刘开辉和团队成员们举一反三，提出了“晶格传质—界面生长”的新范式。在这个制备过程中，原子首先在金属表面（如同“地基”）上排布形成“第一层晶体”，接着新加入的原子通过晶格传输进入“地基”与第一层晶体之间的缝隙，顶着上方已形成的晶体层生长，不断形成新的晶体层。就像“顶竹笋”从根基往上长一样，保证每层晶体结构快速生长且排布均一。与传统晶体生长方式不同，这种新范式不是在表面生长，而是利用晶格来传递生长，能有效避免缺陷积累，从而实现高质量的晶体制备。而且这个方法具有通用性，团队利用它已经制备出氮化硼、硫化钼等9种高质量二维晶体，晶体制备层数达到30万层。在刘开辉的科研历程中，充满了挑战与坚持。他2000年进入北京师范大学学习物理专业，毕业后到中国科学院物理研究所攻读博士学位，之后到美国做博士后工作。如今他的课题组成员近40人，一半做光学技术前沿创新，另一半主攻材料制备，开展交叉融合研究。除了科研，他还活跃在教学一线，教授多门课程。他深知科研工作的艰辛，日复一日的基础工作常常面临失败，容易使人产生倦怠，但也正是在这一次次的实验中，才能将研究成果抽象成物理原理或数学公式，领悟到科学研究的真谛。从立项时的兴奋，到探索时的迷茫，初有成果时的激动，再到持续优化过程中的反复打磨，科研过程百味杂陈，而只有经历这些，才能真正体会到科研带来的喜悦。刘开辉教授始终认为，科研工作者应将有限的人生投入到无限的科研事业中去，始终坚持、始终热爱，做出有意义、有影响力的成果。本文总结了刘开辉教授团队在晶体制备方面的创新范式“晶格传质—界面生长”，从新范式产生的背景、过程、优势以及在多种晶体制备中的成果进行了阐述，同时介绍了团队的科研历程和刘开辉教授对于科研工作的深刻理解，强调了科研工作者应秉持坚持与热爱的态度去做出有意义、有影响力的成果。
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