王肖沐：“极简”条件下，做出最便宜最灵敏的红外探测器

自然界中电磁波的频谱非常广。人眼的可见光波长在0.3微米到0.8微米之间，仅占电磁波谱的一小部分。但是只有光波的这一部分才能让人类感受到这个多彩而不可预知的世界。

除了可见光，还有许多人类肉眼看不到的光，即不可见光。王，南京大学电子科学与工程学院教授、博士生导师，研究不可见光下的红外电磁波。

不久前，2019年“求是奖”揭晓了。由于王在红外光子学领域的突出贡献，获得了该奖项。

寻找最便宜的半导体材料

根据波长，红外电磁波可分为近红外、中红外和远红外波段。王的工作重点是中红外波段。

在剑桥大学和耶鲁大学完成博士后研究后，王于2016年底重返南京大学电子科学与工程学院。

“来到南京大学后，我的工作主要是开发中红外探测器。寻找性能优越、价格低廉、加工方便的半导体材料是研制探测器的关键王说，红外探测器非常昂贵，主要是因为半导体材料的成本无法降低。

为了降低处理半导体材料和探测器的成本，王想知道是否可以使用硅材料。

“硅是一种相对便宜的半导体材料，但是硅有一个很大的缺点，那就是它对红外光没有反应，所以它只能和其他材料结合在一起。”因此，王想起了他的“老朋友”——黑磷。

“黑磷是我在耶鲁大学做博士后时一直在研究的材料。我的研究团队是当时世界上首批研究这些材料的三个团队之一。”王对说道。

时间可以追溯到2014年11月。

当时，王在耶鲁大学从事博士后研究。他和他的导师偶然发现了黑磷中的经典量子隧穿现象。

在量子力学领域，量子隧穿是指电子等微观粒子能够穿透或穿越势垒的量子行为。

随着研究的深入，王逐渐认识到，它可能不是量子隧穿而是弹道雪崩。

王告诉记者，弹道雪崩的物理机制是将量子弹道输运与雪崩击穿过程结合起来，使粒子兼具量子和雪崩特性。

从那以后，王为《自然·纳米技术》杂志撰稿，解释这一新发现。经过两轮同行评审，评审人员表现出极大的兴趣。不幸的是，因为相关的设备不够干净，导致了黑磷的氧化，实验机制无法准确解释-文章被拒绝。

“尽管这项研究极具挑战性，但我坚信这个问题很可能通过努力工作得到解决。”在接下来的两年里，王继续进行的实验，但还是没有得到满意的结果。

连续失败后陷入自我怀疑

直到2016年回到中国，研究才最终有所改进。“中红外探测器的研制只能利用以前对黑磷的研究成果。”王对说道。

2016年10月，王去南京大学报到，错过了招募实验组成员的最佳时机。为了组建一个团队并完成研究工作，他只能从他的搭档——南京大学物理学院缪峰教授的团队中“借用”一名学生，并组建了初步的研究团队。

一个老师和一个学生回忆起当初的困难，王开玩笑说“他的团队风格很简单”

几个月后，实验取得了突破性进展。他们不仅获得了一个干净的界面，还制造了出色的中红外弹道雪崩光电探测器和弹道雪崩场效应晶体管。

“可以说，这可能是迄今为止世界上最灵敏的中红外探测器！”王对说道。

有了这个进步，王的团队决定这次为大自然做贡献。经过长时间的审查过程，令人遗憾的是，他们再次被拒绝。

一次次的失败让王产生了自我怀疑，变得有些沮丧。“我们的实验非常困难，有时甚至我们开始怀疑，是不是错了？在现有条件下能获得实验数据吗？”他说。

但是这种状况并没有持续多久。“如果我们不相信自己，谁会相信我们？”他回忆道。

春节过后，论文又被拒绝了，无论是王还是同学们都玩得很开心。和家人呆了几天后，他们匆匆回到实验室。假期的大部分时间里，他们一起做实验，整理数据，每天无休止地讨论和测试，并来回制造大约40或50个设备。

今年四月初，实验组的学生给王发了一张电子干扰图。以上信息表明实验终于成功了。这时候，几乎兴奋地跳了起来。

“四年前，我当然没有想到会取得这样的成绩。我们在实验过程中遇到了各种各样的问题，现在回想起来，所有的努力都是值得的。”王感慨。

从2014年11月到2018年10月花了四年时间，最终结果发表在《自然纳米技术》杂志上。

最初的标题是:他在四年内研磨出一种“材料”，只是为了制造最灵敏的红外探测器