“黑金”“新材料之王”“價格10倍于黃金”……從一眾抓人眼球的詞匯中，不難看出人們對石墨烯的期待。
2004年，英國物理學家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫用微機械剝離法成功從石墨中分離出單層石墨烯，自此，二維材料進入了人們的視野。
作為人類發現的首個二維材料，石墨烯的應用范圍非常廣泛。由于導電性好，石墨烯剛制備出來時更多地被當做一種電子材料，主要用作透明導電膜、傳感器、光探測器等等。但隨著研究的不斷深入，基于二維材料制備的器件也體現出各種優異的特點，國際范圍內的相關研究競爭也日趨激烈。
對于中科院物理研究所研究員張廣宇來說，石墨烯是他在科研工作中最早涉及的二維材料。2006年，在美國物理學會舉辦的三月會議上，當時還在從事博士后研究的張廣宇第一次接觸到石墨烯。
“這個領域很新，我在會上聽了一些相關的報告，對這種新材料非常感興趣。”張廣宇表示。之后，他便一直關注著石墨烯領域的最新研究進展，并且開始著手準備石墨烯相關的研究工作。
回國以后，張廣宇便把主要精力放在了對石墨烯的研究上。從2008年到現在，張廣宇已經在二維材料領域耕耘了整整12年。
專注二維材料
在物理所，張廣宇組建起一個能在低維物理和納米材料方面開展高水平實驗工作的研究小組，并取得了一系列具有國際水準的原創性工作，其中代表性成果之一，便是對石墨烯摩爾超晶格的研究。
石墨烯襯底對石墨烯性質影響很大。相比于氧化硅襯底，六方氮化硼襯底具有原子級平整的表面、無懸掛鍵、摻雜效應弱等優勢，因而可以更好地保持石墨烯的本征物理性質，而且石墨烯在六方氮化硼上會形成二維超晶格結構。理論計算表明，二維超晶格可以調控石墨烯的能帶結構，形成附加的狄拉克點，進而為探索一系列新的物理現象如分形能譜等提供有效手段。
以往采用物理轉移技術將石墨烯“放”在六方氮化硼表面的加工方法往往具有不確定性，其容易導致結構不確定、不均一、介面污染等諸多問題。因此，如何控制石墨烯在六方氮化硼上的堆垛方式，使二維超晶格周期確定、大尺度均一、高質量無污染就成了一個極具挑戰性的課題。
2013年，張廣宇團隊在前期無催化直接生長石墨烯技術的基礎上，提出了一種先多點取向成核再融合成膜的創新思路，在國際上首次實現了六方氮化硼惰性襯底上石墨烯的可控范德爾瓦斯外延。現在，這種做法已經成為近年來大尺度單晶石墨烯生長的主流思路。
基于石墨烯異質外延技術，張廣宇帶領的團隊系統研究了石墨烯摩爾超晶格中的能帶結構和量子輸運現象，引領了國際上二維超晶格物理的實驗研究。他們的研究表明，外延石墨烯和氮化硼襯底具有零轉角的晶格堆垛方式，形成了約15納米周期的二維超晶格結構，改造了石墨烯的能帶，在超晶格布里淵區的M點形成新的狄拉克點。這一系列研究結果為石墨烯的外延生長以及二維超晶格的物理研究提供了新的方法和思路。
除了研究襯底誘導的石墨烯摩爾超晶格，近期，張廣宇團隊還從AB堆垛的雙層石墨烯出發，研究了雙層—雙層石墨烯（“2+2”）魔角體系。他們的研究結果表明，由AB堆垛的雙層石墨烯構筑的轉角雙層—雙層石墨烯體系，同樣存在電子平帶，且平帶結構可以受到位移電場的調控。他們的研究結果為從實驗和理論上研究鐵磁莫特絕緣體和鐵磁超導提供了可能。
初心源自興趣
這些具有國際影響力的研究成果的取得，與張廣宇開展科學研究的初心是分不開的。
“我從事科學研究是源于興趣，而不是靠項目驅動，我不會為了獲得項目而研究自己不感興趣的問題。”在談到自己做科研的初心時，張廣宇表示：“之所以選擇二維材料這個研究領域，一方面是希望利用二維材料來研究基礎科學問題，另一方面則是相信這些新材料在未來可能會帶來革命性的應用。”
因為從事的是實驗工作，張廣宇十分看重實驗結果的可靠性，在長期的科學研究中，他始終秉持著“可重復性”這一原則。
“即使實驗的結果再好，如果不可重復，也不是我們追求的結果，我們發表的研究成果一定得是他人在同等條件下可以重復的，這一點對于科學研究來說至關重要。”張廣宇強調。
勇于擔當作為
作為中科院物理所納米物理與器件重點實驗室主任，張廣宇在做好自身科研工作的同時，也肩負著把好實驗室發展方向，帶領實驗室穩步發展、不斷進取的使命。
2020年新冠肺炎疫情期間，防疫工作不能松懈，復工復產迫在眉睫，尚處于建設期的松山湖材料實驗室面臨重重困難。逆行者唯艱，在疫情較為嚴重的二三月份，張廣宇以身作則，奮斗在松山湖材料實驗室復工復產工作的一線，彰顯了一名團隊領軍者的擔當與奉獻。在實驗室全體成員的共同努力下，松山湖材料實驗室在疫情期間穩步發展、壯大，得到了廣東省政府的高度評價。
正是這種敢于擔當、孜孜不倦的不懈追求，讓張廣宇能夠在青年一代科研人員中脫穎而出。也正是因為有像張廣宇這樣不忘初心、勇攀高峰的科研工作者們前仆后繼，我國基礎研究領域才能一直保持旺盛的競爭力，向著更多重大原創性成果不斷前進。■