科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，而高端儀器設(shè)備作為探索前沿科學(xué)的工具，則是發(fā)展第一生產(chǎn)力的關(guān)鍵要素。據(jù)報(bào)道，我國超90%的高端儀器依賴進(jìn)口，并在部分儀器購置上遭受嚴(yán)重壟斷。2020年，美國出臺(tái)芯片禁令，阻斷幾乎所有芯片代工廠為我國頭部企業(yè)加工制造芯片，其背后所折射的問題便是我國在高端儀器設(shè)備研發(fā)中所遭受的巨大困境。
在2021年軟科世界一流學(xué)科排名中，中國多所大學(xué)的儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科名列前茅。但在世界科研儀器產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，全球前20強(qiáng)科研儀器生產(chǎn)商中，卻沒有一家中國企業(yè)。“中國做了這么多科研，卻一直在用國外的儀器。”每當(dāng)想到這種情況，都讓北京航空航天大學(xué)青島研究院（簡(jiǎn)稱“北航青島研究院”）微電子分院副院長(zhǎng)張學(xué)瑩倍感唏噓。
工欲善其事，必先利其器。在張學(xué)瑩看來，加強(qiáng)高端儀器設(shè)備的自主研發(fā)能力，是我國目前所面臨的緊迫任務(wù)。多年來輾轉(zhuǎn)北京、青島從事微電子測(cè)試技術(shù)開發(fā)與設(shè)備研發(fā)、自旋電子器件設(shè)計(jì)等研究，張學(xué)瑩在基礎(chǔ)研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化一線扎根探索，為中國高端儀器設(shè)備的自主創(chuàng)新不斷添磚加瓦，作出了一系列貢獻(xiàn)。
北航青島研究院微電子分院副院長(zhǎng)張學(xué)瑩倍
中法多元教育，打下堅(jiān)實(shí)科研根基
張學(xué)瑩基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用并行的思想，與他在海內(nèi)外的學(xué)習(xí)積累密不可分。
本科與研究生階段，張學(xué)瑩就讀于北京航空航天大學(xué)中法工程師學(xué)院。在這里他不僅練就了良好的法語能力，還在通識(shí)教育的培養(yǎng)中，鍛煉、打造了交叉學(xué)科思想。2014年，在順利獲得北京航空航天大學(xué)中法工程師學(xué)院工學(xué)碩士/法國通用工程師學(xué)位后，張學(xué)瑩決心投身微電子領(lǐng)域，在北京航空航天大學(xué)師從趙巍勝教授攻讀微電子學(xué)與固體電子學(xué)博士學(xué)位。
2015年9月—2017年4月，張學(xué)瑩在國家留學(xué)基金委的資助下，前往法國巴黎薩克雷大學(xué)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位。在這所高校，他不僅進(jìn)一步夯實(shí)了自己在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究?jī)?yōu)勢(shì)，還在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下增強(qiáng)了自己實(shí)驗(yàn)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性以及動(dòng)手能力。“在巴黎的這段研究經(jīng)歷和所受的實(shí)驗(yàn)方法訓(xùn)練，讓我受益終生。”張學(xué)瑩說。
北京航空航天大學(xué)作為一所工科特色院校，從成立之初發(fā)展到現(xiàn)在，始終瞄準(zhǔn)國家的戰(zhàn)略需求。在北京航空航天大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，張學(xué)瑩的博士課題偏向于自旋電子器件應(yīng)用開發(fā)，為自旋電子芯片的工程應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化探索。而在法國留學(xué)期間，張學(xué)瑩的研究課題則更偏向于自旋電子學(xué)的物理和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)的雙重探索，讓張學(xué)瑩受益匪淺。經(jīng)過近4年的學(xué)習(xí)和研究，張學(xué)瑩分別完成了中國和法國兩個(gè)獨(dú)立的博士課題和學(xué)位論文，分別于2018年5月和6月順利獲得了法國巴黎薩克雷大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位和北京航空航天大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，其博士論文也被評(píng)為北航優(yōu)秀博士學(xué)位論文。
落地青島，創(chuàng)新微電子測(cè)試設(shè)備研發(fā)
北航青島研究院于2016年5月28日正式成立，自成立以來緊緊圍繞國家戰(zhàn)略需求和青島市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，全力服務(wù)青島市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)。在張學(xué)瑩看來，青島具有扎實(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)，但是隨著現(xiàn)代信息革命浪潮來襲，其傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)活力慢慢減弱，競(jìng)爭(zhēng)力也逐漸降低。基于國家和地方對(duì)現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)特別是微電子領(lǐng)域的需求，張學(xué)瑩和研究團(tuán)隊(duì)將科研成果瞄準(zhǔn)實(shí)用，以磁性微電子測(cè)試設(shè)備研發(fā)為切入點(diǎn)，在這里開啟了一段產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的科研創(chuàng)新之旅。
自古以來，“磁”就與人們的社會(huì)生活密不可分。早在兩千年前，中國人就發(fā)明了世界上最早的磁性指南工具——司南。現(xiàn)如今我們所使用的智能手機(jī)中的指南針也是用磁性材料來指引方向的。目前，張學(xué)瑩團(tuán)隊(duì)所致力的自旋電子芯片開發(fā)研究就是傳統(tǒng)磁性材料和微電子結(jié)合的學(xué)科，其在航天領(lǐng)域以及便攜式電子設(shè)備中都有著廣泛的應(yīng)用前景。
來到北航青島研究院之后，張學(xué)瑩就和團(tuán)隊(duì)積極投身公共建設(shè)類的項(xiàng)目研發(fā)中。在青島市政府、嶗山區(qū)政府以及歌爾集團(tuán)的支持下，張學(xué)瑩所在團(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行實(shí)踐與創(chuàng)新，并成功建成了中國唯一一條具有全閉環(huán)研發(fā)能力的8英寸磁性微電子工藝測(cè)試公共平臺(tái)。這一項(xiàng)目的建設(shè)完成彌補(bǔ)了我國磁性微電子工藝領(lǐng)域的多項(xiàng)空白，對(duì)青島地方微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。
磁光測(cè)試是研發(fā)磁性芯片的一個(gè)重要測(cè)試手段，而企業(yè)想要進(jìn)行磁性芯片的研發(fā)，就需要相關(guān)的磁光測(cè)試設(shè)備。但是，目前國內(nèi)在磁光測(cè)試設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域，幾乎處于空白狀態(tài)。為了打破這種困境，張學(xué)瑩團(tuán)隊(duì)在北京航空航天大學(xué)、北航青島研究院和相關(guān)企業(yè)的共同協(xié)作下建立了磁光測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，以此為實(shí)驗(yàn)支撐平臺(tái)，展開了一系列自主研發(fā)工作。
針對(duì)普通顯微鏡難以觀察到芯片單元內(nèi)部的磁性變化的現(xiàn)狀，張學(xué)瑩團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新實(shí)踐，研發(fā)了一款特種顯微鏡，這款顯微鏡便是中國首款商用磁光克爾顯微鏡，分辨率達(dá)到300nm。此前，磁光克爾顯微鏡只能依賴進(jìn)口，單臺(tái)售價(jià)高達(dá)200萬元人民幣。在此之后，張學(xué)瑩和團(tuán)隊(duì)成員成功將自主研發(fā)的磁光克爾顯微鏡設(shè)備推向市場(chǎng)，并大幅降低了其售賣價(jià)格，不僅讓更多科研單位用得起該設(shè)備，還消除了“卡脖子”隱患。目前，這款設(shè)備已經(jīng)在清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理所等頂尖科研機(jī)構(gòu)裝機(jī)使用。團(tuán)隊(duì)繼續(xù)努力，在2021年夏天，又成功研發(fā)了中國首臺(tái)產(chǎn)業(yè)級(jí)晶圓磁光測(cè)試儀，打破了美國科磊半導(dǎo)體公司在該領(lǐng)域的壟斷，為我國磁性芯片量產(chǎn)提供了測(cè)試設(shè)備支撐，這項(xiàng)成果也標(biāo)志著團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)品邁向了微電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。
產(chǎn)業(yè)落地，培養(yǎng)實(shí)踐型人才
科技是第一生產(chǎn)力，是促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐動(dòng)力。“但是科技的落地并不是一蹴而就的，從原理到設(shè)備再到真正的產(chǎn)業(yè)化，我們需要走的路還有很長(zhǎng)。”張學(xué)瑩說。為了能將自己的科研技術(shù)盡快與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相協(xié)同，張學(xué)瑩團(tuán)隊(duì)于2019年7月創(chuàng)立了致真精密儀器（青島）有限公司，由張學(xué)瑩擔(dān)任執(zhí)行董事/首席技術(shù)官，致力于通過公司的商業(yè)模式，完成研發(fā)設(shè)備的真正工程化。
“因?yàn)閮x器行業(yè)涉及光、電、測(cè)控、軟件等各學(xué)科，而單學(xué)科的科研人才并不能完成整個(gè)高端儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)制造。”張學(xué)瑩說。而這一學(xué)科特點(diǎn)，也決定了科研人才必須具有多學(xué)科的技術(shù)能力以及產(chǎn)業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在這一背景下，張學(xué)瑩團(tuán)隊(duì)所倡導(dǎo)的產(chǎn)學(xué)研優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，也給人才培養(yǎng)注入了更多新鮮活力。很多學(xué)生在項(xiàng)目研發(fā)、討論的過程中，懂得了如何將自己所學(xué)的知識(shí)融合到科研產(chǎn)業(yè)化的項(xiàng)目應(yīng)用中，真正做到“學(xué)以致研、學(xué)以致用”。
張學(xué)瑩團(tuán)隊(duì)始終秉承“尊重科學(xué)、精益求精”的精神，在取得系列成果的同時(shí)，也獲得多項(xiàng)榮譽(yù)，包括青島市“市長(zhǎng)杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎(jiǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總決賽金獎(jiǎng)等，所創(chuàng)立的企業(yè)也獲得近千萬元的市場(chǎng)投資。
展望未來，推動(dòng)企業(yè)主導(dǎo)、高校和科研院所支撐的聯(lián)合創(chuàng)新體，協(xié)同突破關(guān)鍵科研技術(shù)及高端儀器設(shè)備研發(fā)是大勢(shì)所趨。在這一背景下，張學(xué)瑩希望和研究團(tuán)隊(duì)能夠在集成電路、高端儀器設(shè)備等領(lǐng)域繼續(xù)深耕，將產(chǎn)業(yè)模式進(jìn)一步做大做強(qiáng)，特別是將團(tuán)隊(duì)在磁光測(cè)試這一方向中的研究?jī)?yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大，在3年內(nèi)在磁性微電子測(cè)試領(lǐng)域達(dá)到世界前列。而后，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式，張學(xué)瑩還希望團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的設(shè)備能夠覆蓋整個(gè)集成電路制造領(lǐng)域，為更多的芯片研發(fā)和生產(chǎn)單位提供服務(wù)。
雖然高端科學(xué)儀器自主研發(fā)路阻且長(zhǎng)，但是張學(xué)瑩及其研究團(tuán)隊(duì)的信念始終堅(jiān)定。在由儀器制造大國邁向儀器制造強(qiáng)國的奮進(jìn)之路中，他們?cè)缸銎渲械匿伮肥瑸槲覈母叨藘x器研發(fā)奠定根基。（作者：謝明昊/科學(xué)中國人）
