不忘初心 师德贯焕丨李越生教授访谈——国家和社会的需要 就是我们研究和开发的方向

作者:发布时间:2019-05-16浏览次数:57


李越生

复旦大学材料科学系教授 博士生导师

教育背景

19827毕业于北京大学物理系,获物理学学士学位,并考取教育部出国预备生。

19923毕业于美国纽约州立大学石溪分校(SUNY at Stony Brook)材料科学与工程系,获材料科学博士学位,并获加拿大自然科学与工程协会(NSERC)国际奖学金,前往加拿大不列颠哥伦比亚大学(UBC)化学系作博士后研究。

1995复旦大学材料科学系工作,现为复旦大学材料科学系教授,博士生导师。

  

学术任职

曾任复旦大学材料科学系系主任,国家微电子材料与元器件微分析中心主任,复旦大学教学指导委员会委员;国家教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会委员、材料物理与材料化学专业教学指导分委员会副主任委员;中国真空学会理事、上海市真空学会副理事长;上海有色金属学会常务理事,上海市浦东新区光电子行业协会副秘书长。

  

学术成果

长期从事薄膜材料表面和界面的结构与性能微分析技术应用的研究。在国内外学术刊物上共发表论文110余篇

2007年获军队科技进步三等奖(第二完成人)。

  

研究领域

材料结构与性能之关系的研究

材料的表面与界面

微电子和光电子材料表征、器件分析和工艺研究

  

讲授课程

《工程材料的电学性能》

《材料科学导论》

《材料科学与工程导论》


采访实录



1、请问您的研究方向是什么?您如何理解这个学科?

  

      我的研究方向是材料科学与工程,具体做的工作是与材料和器件相关的分析研究和制备工艺的相关研究。

      我的研究方向是偏向于实际应用现在我们的社会和科学技术都处于一个飞速发展的新时代,GDP在不断增涨,新产品在不断开发,我们的生活离不开材料和器件,材料科学与工程对公民和社会的影响越来越大。举个例子,光电产品或者微电产品朝更薄、更小、集成度更高和性能更好的方向发展,每前进一步,技术工艺的研发以及对材料的认识,都要往更深层次发展。研发中碰到问题往往不能完全靠传统经验和已有知识去解决,那就需要我们结合材料科学的知识和方法去研究解决。根据实际碰到的具体问题,从材料的本质开始,研究材料的状态及其变化规律,以解决工程中出现的问题,这就是材料科学与工程。当然不同的工程领域、不同材料在实际应用中会遇到的问题是不一样的,比如生物医学材料和微电子材料就不一样。生物医学材料要植入人体,需要考虑它和人体的本身之间的兼容性,涉及人体和材料的相互作用,这里面很多新的问题,虽然我们现在接触的比较少,但是实际中的问题一旦涉及到材料,可能就需要我们研究材料科学与工程的科研人员从机理上分析研究并提出解决问题的技术方案。

      如果问材料科学与工程具体做什么,它是千变万化的,它的战场是不断前进的。只要社会不停止前进,科技不停止发展,我们社会对更好、更方便、更经济的需求会推动创新。在创新过程中实现成本更低、强度更高、性能更好,这些都离不开对材料的研究和开拓。

      材料科学与工程注重实际应用,是与研究和开发相结合的。对单一材料的研究,虽然属于材料学的大范畴,但是和“材料科学与工程”还是有一点区别。大众容易把材料工程与科学和材料学混淆,两者是不同的。国家和社会进步需要的是什么,是开创不同材料在不同领域中的研发和应用,这个叫材料科学与工程。

      所以说,首先我们一定要有一个概念,“材料科学与材料工程”只是“材料科学与工程”的一个方面,“材料科学与工程”更多的是“材料科学与光电子材料工程”、“材料科学与微电子工程”、“材料科学与生物医学工程”等等。如果是把某个材料做好,那就是更多是材料学的问题,或者材料工程问题。

      我在讲课的时候也提出来过,一个学科的发展一定与它的研究积累和它的成熟度有关。那为什么材料科学与工程提出来是在上个世纪六七十年代呢?

      以我的学生时代为例,1995年复旦图书馆里关于材料科学的书就两本,这两本书一本是徐祖耀先生的《材料科学导论》;另一本是翻译过来的叫《材料科学与材料工程基础》

 


      那时候的材料科学教科书很匮乏,说明那时候我们中国科技的发展水平还不能很好的理解材料科学与工程的重要性。材料是我们生活中接触最多、应用最多,但是材料科学与工程却比物理学和化学晚差不多一百年才形成学科。材料科学与工程的真正含义并不是仅指材料研究,重点还在于工程应用,是需要社会和科技发展到一定阶段,在应用中大量积累才会有的产物。

随着社会发展,新的制造技术、新的应用出来了,对工程里面的材料科学问题要专门拿出来去重视它,去研究它。所以我希望大家要注意到,并不是讲我们材料科学系,研究的仅仅是材料,我们以后的发展方向都不一定和材料有关。材料科学是一个工具,可以应用在无穷广的领域。如果仅仅把眼光放在材料上,对材料科学与工程是不够的。

      对学生而言,如何做好自己的职业规划这一点很重要。即使是材料化学专业的学生,就业面也很广。我们系现在有个工程博士的学科点叫材料与化工,学生毕业后毕业可以去纯材料学的化工企业,也可以到微电子等领域做研发工作。甚至若干年前有集成电路制造企业招人,第一个需要的专业背景是材料科学与化工,并不是微电子,因为他们是制造企业,做微电子设计的人有,但是相对独立的一块,更多的需要是把材料按工艺流程做成器件,这个中间过程都是涉及材料问题。所以说我们不是仅仅把一样材料做好然后拿出去交给下一道工序,这些单一材料的研发基本上可归纳到材料工程。而在器件的研发过程中,新器件能否如设计预想的一样优越是关键考量,研发过程中会碰到很多新的问题,往往就依赖于材料科学的研究。找出问题,提出研究的途径,提解决方案然后验证,这才是我们材料科学与工程应该做的事情。

      材料科学与工程要求我们在方法论上要有一套独特的东西。我们的研究对象不再是一个简单的质点,如物理学研究研究它的运动方向。材料中一个立方厘米里面有超过十的二十二次方个原子,它们表现的状况是什么,变化规律又如何,你必须要有新的思路如何把微观和宏观联系上。材料科学与工程就是由微观到宏观之间的桥梁,宏观即把工程做出来,微观即各种各样材料科学的具体研究。


  

 2、在您的求学的过程中,有哪些印象深刻的经历或者经验?

  

      我的经历实际上就是上大学,读博士,做博士后,然后到复旦任教,就这么简单。博士及博士后,一方面是学习,一方面其实是自由自在的最后时间。因为做学生还是能海阔天空去想的,在一定范围内可以思考、做自己想做的事情,到工作后多数情况下就会受到很多方面的制约。所以说,在做学生的时候要珍惜现在的“胡思乱想”。

      学习的时候,不是死记硬背书本上的知识,而是要关注知识背后的联系,以及这些问题是如何提出来的,如何形成理论。而且要注意,理论不是真理,理论是一些人根据实验现象加上物理概念数学工具之后总结出来的东西。

      在材料科学里由于情况很复杂,很多事物都有自己的特性,这些特性很可能在某些特定情况下会特别重要,这也许就是我们要研究的。不能说我们把理论往上一套就能解决问题,这样的话是做不好材料科学研究的。我们需要有一定的怀疑思想,在应用理论定理的时候,先好好思考这个理论来自什么体系,我的基本条件和选用理论的基本条件完全对应吗,其物理模型能不能拿来套用。如物理图像一样的话,后面的技术处理是基本一样的,只不过需要变化一些参数;但是要是图像不一致,你就要从根本上构建一个模型,当然其变化规律就有很多的差异。

  

 3.1、我们了解到您本科学的是物理学专业,请问是什么让您对材料科学以及现在的研究方向产生了兴趣并进入了这个领域的研究?

  

      在我上大学的时候,还没有材料科学这一说。我在北大上大学时,北大分几个专业——理论物理、半导体物理、金属学、磁学等总共六个。当时半导体是最红、最热门的,理论物理是最难的,磁学相对冷门。在这种情况下,我想找一个比较实际的吧,就选了金属物理。

      当时李政道先生组织了一个叫卡斯比的项目,全美国物理学的考试,各个学校组织人去考。结果到我们那一年发生了一个变化,想考卡斯比要求必须是研究生,所以我们就去考研究生。考完研究生报名的时候,报名表上写有“你是否愿意做教育部出国预备生?愿意的话,打钩”。翻过页来,“如果你准备做出国预备生,请把你名字的拼音写出来。”我填表一紧张把这一栏忘掉了,但是前面画了一个勾。考完研究生后不久,系里秘书找我到系办公室去,就问我准备出国没有? 我就说“当然要出国了,夏天不是要考试了吗?”他就说“那个不是卡斯比,是被教育部录取为出国预备生,公费出国读博士,你愿意吗?”当时我也不大在乎。我问去哪个国家,说去美国,可以。又问了去哪个学校,他就告诉我是哪个学校。然后我还问了学什么,说学表面物理。当时表面物理是最热门的,我一听,回答可以。事情就这么简单。但一到那学校我才发现,它的表面物理在材料科学与工程系,所以就自然做起材料科学的相关研究了。

      做博士的时候把课题做深做好,最后文章能做得出来就算成功,我研究的是表面重组,表面合金和表面吸附,后来做博士后也是在这个领域。结果毕业的时候碰到个问题,我研究的这个东西到底有什么用?那时我才第一次开始思考,虽然我从材料科学与工程系里毕业了,博士学位也是材料科学,但材料科学与工程到底干什么?物理也研究材料,化学也研究材料,为什么要有个材料科学与工程?其实当时大多数情况下,并没有很多人去关注它。

      毕业了之后,因为我简历上有材料科学一条,找工作就想去材料相关的方向。回国正好有个机会可以来复旦大学材料科学系,那时候材料研究和半导体工艺的结合确实在上个世纪九十年代对我国的集成电路制造业起了很大作用。我一看,研究手段跟我之前研究的差不多,都是表面物理,做的还是集成电路半导体,就来了。到了这时候,我才从材料科学的领域正式进入材料科学与工程的领域。


3.2、您认为材料科学与物理学等基础学科有哪些不同?

  

      当然不同。有一本书很好,名字叫《材料学方法论》,他有几句话是针对方法论构架体系提出的,我比较赞成。材料科学与工程和物理学的研究是不同的。

      第一,两者目的不一样。物理学是什么,什么东西奇怪、有趣、让人捉摸不清,物理学家就去研究它。材料科学是哪里有问题,我们就去研究它。物理学研究问题就是主要侧重个人感兴趣的,能拿到资金,拿到时间就好。材料科学更多的是解决在生产过程中或者在开发过程中出现的某些必须解决的瓶颈和问题。

      第二,两者要求不同材料科学与工程需要你有灵活性、敏锐性,这个问题根据以往的知识和经验,可能与哪些东西有关。如果你发现因素很多怎么办?你要设计思路去验证他。经过研究以后,找到解决的途径,提出解决方案,这就是我们材料科学与工程。物理学是发现一个现象,去找出规律、解释现象、表述规律,这是它的要求。所以我们说材料科学是带着镣铐跳舞。但同时研究材料科学的话,必须要知识面广,就像是高级万金油,只要跟物理、化学有关的都必须想办法去学习和借用,甚至电子器件的设计思路也要有所了解。材料科学的研究是以系统的最优为最终目的。所说我们说材料科学有两个方面,一个是从原子分子层面上去研究,一个是从系统的层面上去研究。你不能光说这个材料某个性能好,就是好材料。材料只有使得器件整体性能发挥最佳,才是好材料。

      第三,两者对新材料的理解不同。新材料是材料科学研究的重要组成部分,但是新材料的概念在材料科学与工程里和在物理学、化学里是有所区别的。在工程应用里面,以前没用到的就是新材料。比如说我记得十几年前有一次我们在关于微电子的新材料研讨会上,提出要研究低介电常数材料、高介电常数材料和铜工艺。某著名物理学家当时就指出,这个水平太差,物理方面研究铜的太多了,低介电材料和高介电材料也研究得多。但是这三个问题为什么变成了当时集成电路的关键问题呢?人类最早接触铜大概是在青铜器时代,从化学角度来讲低介电常数材料和高介电常数材料也是百八十年之前就有了。但到了微电子时代,就变成了新材料。这需要补充一个发展过程,集成电路的基础材料最开始是硅,绝缘材料是二氧化硅,导体材料是铝。现在导体材料一下子变成铜,好处是电阻小了,信号延迟小了;坏处是这个材料放到集成电路上,这个尺度的研究有很多新的特性,原本的很多工艺就不能用。新东西一出来,就发现很多新的问题,比如电迁移和表面电阻。这时候铜就作为集成电路制造工艺中的新材料,吸引了许多材料科学的人去研究它。但是对物理化学的人就觉得研究这玩意没有意义,翻翻书去就能找到对这材料就物理和化学上的详细描述。但是结合工艺,结合器件来看,里面新出现的一些东西,还要从材料科学的角度从头好好研究。这就是学科之间的差异。

      第四,两者对材料的定义不同。物理学可能将材料定义成是“能制造器件的物质。材料学中则多了几个字,定义为“能被人类社会接收的,可以经济地制造有用器件的物质”。材料科学不是什么材料都去研究,要在开始的时候就形成一个材料科学的方法论和价值观,要知道什么值得做,什么不值得做。在这一句简单的定义中,虽然就多了几个字,但是说明这两个学科关注的是不同角度。从物理角度讲,材料的某个性能好就是好材料,而不管能不能保质保量地做出来、能不能形成产品、经济不经济、从能源角度讲是不是消耗太大。从材料科学与工程的角度,还要结合完整的制备工艺,甚至产品出来以后能不能进行回收处理等,进行综合考量。比如,若只从焊接性能上看,铅锡焊料好于许多无铅焊料。但从环保角度看,就增加了许多材料选择的限制。材料科学是应用学科,虽然有很多海阔天空的研究我们要学习和了解,但基础研究不是我们的主战场。主战场是什么?是去研究工程研发中提出的问题。

      物理学与材料科学,虽然研究的深度相近,研究的手段相似——他们用电镜,我们也用电镜,他们在搞纳米材料,我们也搞纳米材料。最大的差别是什么?他们研究什么纳米材料好,我们研究什么纳米材料能做成器件以及在这个过程中需要掌握什么。虽然看起来水平挺低,只研究一些细节和技术问题,但有很多关键因素就是在这个过程中提出来的。


  

4、通过您多年的研究经历,您认为从事科研工作最重要的品质是什么?

  

      我不认为有什么品质,脚踏实地、把该做的工作做好就行了。

      材料科学的方法论也能应用到我们的人生上。我觉得材料科学,好听一点是应用科学,说句不好听的是实用主义的,再不好听一点是功利主义的,但这是必须的。材料科学与工程是围绕着工程应用,最终效益是要将经济社会都要考虑进去的。材料科学也是一种很好的素质教育,了解一下材料科学方法论、材料科学的基础知识,以及它是怎么串成一个知识体系的,材料科学在各工程领域的研究都是同一套思路。

      物理考虑质点,而我们材料中有的时候要考虑到每个原子,有的时候又要考虑到原子的整体,要考虑到外界条件对它的影响,在这种千变万化的过程中你很难用一个理论去解决问题。比如我们研究一个白盒子,输入输出有关系写得清楚,黑盒子不知道,只有用一个统计的方法才能处理输入和输出的关系。但我们材料科学要把它变成一个灰盒子,能把关键地方能讲清,其他地方用统计,这就是一种思路。我们可以把这种方法完全理解变成规律的东西,而且把一些其他领域的知识带进来为你所用。你要是想改行,那也要好好学习它精髓的地方,如何处理问题,如何收集数据,如何找到关系联系,把这种手段学过去。要是准备在这行里干的,那还需要一些素质,比如说和人打交道的素质。

      做材料科学首先态度要好,材料科学是绿叶不是红花,材料科学不是说做最好的那个而是说在整个工程里把短板补上,做长板是物理学的事,我们是补短板,不太被人重视,但是很重要。因为一个水桶盛多少水要用短板决定,你只有把短板提起来之后,整体性能才会好。所以就需要和人合作,和工程学和周边的从事其他研究的人打交道。

      其次还需要有表达能力,因为决定某个工艺的改进可能要冒很大的风险,这就需要说服同事和领导。这便需要能把其中的问题逻辑性地专业化地写出来,要使相关的人知道为什么,让其他专业背景的研发人员也理解接受。借用一句话“专家做得好的事情,理解就行,不要插嘴,专家做不到的才是显本事的时候”。因此我们提出的论点专家不一定认可,在工程领域的研究层次常常是以连续介质宏观面去理解一个物理现象,而我们是从原子层次找出原因和解决方案,他是工程,而我们是材料科学。总的来说,就是我们需要有很好的逻辑思维能力和学习能力,要对工程有一定理解。

      我希望学生们能够早点做准备,现在网上资讯信息量非常丰富,应该主动去学习探索,当然也可以向老师咨询。职业规划要尽早做好,确立自己的方向,有目的地去学习,有目的地培养自己的能力,积累自己的知识基础。现在的知识量太大了,如果不往深里学的话,可能以后根基打不好,专注的东西太多的话,时间就分散了。所以必须要理清思路为以后做准备。大学几年时光短暂,转眼就毕业了,不要稀里糊涂以为材料科学就是搞材料研究的,其实毕业后出路也可以千变万化,但机会总是给有准备的人的。像我出国的时候,教育部要选表面物理的,当时表面物理刚开始发展,就找物理系的,我们是金属物理,很接近。因为金属物理要学习很多的材料结构知识,而半导体更多的是跟能带结构有关,偏理论。当然也有别的因素,当时研究生考试最后英语要求70分以上,教育部那批出国的有几百人,我的英语70.5,刚过合格线,可能是最后一名,所以说也是运道好。就材料科学与工程而言我们和国外还有很大差距,你如果准备出国深造,英语就得抓起来了,现在就得多看英语课本,学会用英语去想问题,不要到时候差一步。虽然我比较侥幸,但是侥幸的人也不能总依赖侥幸。

      我们要尽量科学起来,要好好理解材料科学的方法论,从这个角度去想问题的话才能够事半功倍,才能够头脑敏锐,看问题准确,找对研究的方向,然后迅速地去学习所需要的知识。做研发往往没有那么多充足时间,出成果晚了就不值钱了,要是早一年成果出来,研发费用全回来了,而且把竞争对手打得爬不起来。从这个问题看我们要注重实用主义,包括个人的发展也是一样,毕业出去后比如到某个研究所,很多时候并不是要求背景好,更多时候看的是能不能为人所用。不管以前做多好,要能够迅速融入研究团队,这才是用人单位所需要的。毕业学校和专业背景好是不错,但能不能迅速接触问题、切入问题、融入团队这才是科研新手最重要的。

      有意识地去培养自己的方法论很关键,人的思路逻辑也是逐步形成的,开始的时候就要去不断强化。我们不一定物理出身,但要学会迅速地了解物理,去建立新的知识,进而解决问题。我们的研究也不一定是最终解决问题,能够比人家看得多,在科研中先前进半步,这就是胜利。

  

  

5、现在部分有科研愿景的本科生对自己的未来选择是比较迷茫的,您认为保研或出国等选择对他们而言分别有哪些优劣,能否给出一些建议?

  

      从效率上讲,我推荐的第一条路线是出国,第二条路线是读完硕士出国,第三条路线是读完博士到国外做博士后去,我希望大家都能出去看看。因为中国的科研氛围相对国外还是差一点,在国外只要做好研究就行,剩下的问题不太需要操心,研究的过程都很单纯,对个人的科研经历也有个比较好的烙印,国内老老实实做学问其实并不容易。我给学生们的建议是,第一个是以科学的态度看待问题,第二个是以材料科学的态度看待问题,那样对我们以后长远的发展,特别是准备在材料科学的路上走得更远的都有好处。

  

录音整理丨王丛欢 唐懿雯 曹琦瑜

视频剪辑丨陈蕾

编辑排版丨曹琦瑜