畢磊
2000-2006年，清華大學材料科學與工程系，獲工學學士，碩士學位
2006-2011年，麻省理工學院材料科學與工程系，獲博士學位
2011-2013年，任職于Micron Technology Inc.
2013-現在，電子科技大學教授，博士生導師
研究方向：半導體上的新材料集成
随着集成半導體行業的發展，光電芯片将成為主流。其中，材料發揮了不可替代的作用。
對于微電子芯片而言，随着産業發展中材料的疊代，芯片的尺寸得以不斷縮小，集成度越來越高；對于光電芯片而言，器件尺寸已與波長相當，難以繼續縮小，集成光電材料的多樣化可使光電芯片的性能更加多樣化，是未來發展的核心驅動力之一。
為了進一步了解半導體行業，并纾解同學們對未來方向選擇的疑惑，8月2日，“大國之材”beat365校友訪談研究生支隊與本科生興業之材----半導體與芯片校友訪談支隊聯合，與beat365校友、電子科技大學教授畢磊學長進行對話與訪談。
本次實踐活動作為beat365“大國之材”系列活動的重要組成部分，旨在2020年這一特殊時期，響應“攻克疫情，決勝小康”的實踐号召，通過研究生與本科生聯合訪談beat365優秀校友，挖掘校友的人生故事，記錄校友個人發展經曆和從業感悟，發揮校友對同學職業生涯的引導作用，在校友訪談中體會清華精神。同時通過優秀校友-研究生-本科生的三級交流與聯動，多層次、立體化地增強實踐感悟與效果。
01. 立足基礎——本科階段的學習建議
關鍵詞：知識 思維 堅持 平衡
Q1：材料是綜合性很強的一門學科，需要數學、物理、化學等理論背景，它給我們提供更多科研方向的選擇的同時，也對我們的學科基礎提出了很高的要求，但是由于時間有限，材料專業的課程學習存在着廣而不精的特點，結合您在清華的學習經曆，您有什麼看法和建議？
A1：本科階段課程學習的“廣而不精”不僅存在于材料學科，更是很多學科普遍存在的問題。大學提供給學生的不僅僅是知識，其更主要的目的是培養學生的學習能力，拓展學生的視野。因此，課程講述的很多内容都是某一研究方向的“引子”。
一般而言，本科以通識教育為主，旨在構建知識體系。學生到研究生時再選擇某一領域繼續鑽研下去。學習是終身進行的事情，很多時候學習方法比知識本身重要。
Q2：如何看待“四大天坑”的問題？
A2：四門學科都是實用科學，而非純粹的理論科學。例如，我同屆的同學就有在材料領域成功的學術界和産業界人才，所以我不認為這一說法是正确的。
造成大家有這樣看法的的原因之一，可能是産業界和學術界脫節情況比較嚴重，在現階段兩者的對接非常少；但這一現實已經在慢慢向好的地方發展。造成這一問題内在的原因是：材料科學的科研是實用性導向的，但涉及内容非常多，包括材料設計、材料制備、材料應用等，從基礎理論開始科研，到制備出材料和最終做出器件，戰線非常長，需要科研人員有足夠的覺悟和堅定的決心。作為科研人員，我們不能短視地隻以發文章為導向，最好能夠把自己所做的這個領域發掘到底，從材料制備、性能測定到工業化應用，整個流程走到底。最重要的是，一定要把握材料研究的出發點，不忘初心。
下面分享一下“自己”對半導體材料的一些認識，提升大家對材料學科的信心。1948年已經制備出了場效應晶體管。大家一定覺得早在摩爾定律提出之前，所有的人都在做鍺和矽，但是實際上情況是這樣嗎，不是的，那個時候的情況對于材料學科的發展來說是一個亂世。1971年已經是摩爾定律提出的第五年了，貝爾實驗室還在做磁泡存儲器，而矽基的内存，閃存僅是多種方案之一，人們對未來用什麼材料還不清楚。從今天來看，矽基内存和閃存領域都已經廣泛應用了，矽基半導體材料和技術在摩爾定律的驅動下，用滾雪球一樣的碾壓力成為了主流。但是到了現在，摩爾定律幾乎到了盡頭，後摩爾時代，提出More Moore, More than Moore和Beyond Moore的技術路線，用什麼材料又不可知了，現在到未來的二三十年又将是材料的一個亂世。例如三維集成的半導體材料，光、磁等新功能材料的半導體集成已經出現了。到底是什麼材料來主宰未來的發展，成為下一代信息技術的關鍵？答案可能就在你們手中。
Q3：基礎課和專業課有哪些區别？
A3：基礎課是基本工具，内容相對枯燥，但是所有産業應用的理論基礎。例如，Faraday發現了大量電磁現象，Maxwell給出了其數學诠釋，提出Maxwell方程組，用數學解釋電磁學關系，完成了電磁學的統一，因此後人評價其做出了非常大的貢獻。
此外，沒有必要糾結于工具内容是否能夠得到理解，很多内容到了使用的時候自然而然就能夠得到理解。
02. 堅定道路——未來研究方向的選擇
關鍵詞：課程 實踐 熱門行業與泡沫
Q4：很多同學在本科階段對科研方向選擇、科研的意義和價值、自身是否适合科研道路等問題十分迷茫，您可以分享一下您的科研經曆，并給予我們一些科研方面的建議嗎？
A4：本科畢業時同學們經常在想以後的發展路徑應該是什麼，是進入學界科研，還是進入業界研發，還是選擇轉行？
在我同年級的同學中，畢業時大約有十幾位同學直接參加工作，當時的年級總人數是90人。需要強調的是，材料不僅是理論科學，更是直接指導并作用在實業上的科學。在我的本科同學中，就有幾位從事新材料研究并将其成功産業化的同學。
雖然本科的時候不知道适不适合做科研，但可以考慮基于掌握的材料基礎知識做一些科研的嘗試。第一個建議是多花時間去嘗試，如參加系裡老師的SRT，盡自己最大的努力去投入。參與了科研訓練之後，不要簡單的跟着師兄師姐做事情，科研訓練的實質是科學思維的訓練，而非簡單的實驗技能訓練。
不同于從小學到本科的學習方法，科學研究是開放的，很多問題需要用歸納的方法去解決，進而培訓科學的思維。我當時的項目是做一種熒光粉，通過文獻調研、設計實驗達到想要的成果；完成整個項目的過程對自己思維的訓練是極大的。
第二個建議是時刻關注世界範圍内自己科研領域總體上面臨的重大問題與挑戰，并結合實驗室條件，思考我們能做什麼，進而關注某一個具體問題的突破與發展，試圖找到問題的答案。科研需要同學們的堅持，不可能是一帆風順的，苦戰方能過關。堅持過黎明前的黑暗，可以學到很多東西，思考開放問題的能力，挑戰關注領域的難題，收獲科研成果時的喜悅，都是超過科研本身的收獲。
Q5：很多同學面臨研究方向的選擇時都很茫然，請問學長是如何确定自己的研究方向的？
A5：清華奠定的研究和學業基礎對學業上的發展起到了非常正向的作用。主要是受到老師上課和研究的影響，當時的碩士導師馮嘉猷教授對學術的細緻、認真、踏實的研究态度對我有很大的塑造作用。
關于是否選擇熱門研究方向，基礎研究喜歡集中在一些新的、熱門的科學和技術問題上，因為那裡才有新的可能性。但所有的技術都會經曆一個輪回，從熱門到一個拐點的過程會将泡沫去除，沉澱下真的技術而實現産業騰飛。所以不僅要能做熱門的東西，還要經曆得住從熱門到冷門的寂寞，才能最終有所成就。
03. 展望前沿——集成材料的發展現狀與前景
關鍵詞：磁性材料與相變材料 學界與業界 5G
Q6：當前的實驗室研究成果到廣泛應用于生産生活還有多遠的距離？我國的光學器件産業的發展現狀如何？國内的公司有哪些是比較具有技術優勢的？
A6：我比較關注新材料在集成光電子芯片裡面的應用，主要關注兩種材料，一類是磁性材料，一類是相變材料。
（1）關于磁性材料
自己做磁性材料的時間比較長，實際從博士階段就開始做，做相變材料的時間相對短。把磁性材料整合到集成光電子芯片裡面去，這個想法是人們近五十年來的夢想。
自上個世紀七十年代，科研人員注意到磁性材料在光隔離器和環行器中能夠大量應用，且性能頗佳開始，就希望把它做到集成光芯片中去。最開始集成光芯片是采用Ⅲ族和Ⅴ族的元素構成的一些有源的半導體材料，今天則是矽基光電子材料。
當時用了很多種辦法，在Ⅲ族和Ⅴ族上做，在矽上做等等，但是這個方向一直都沒有走通。在今天，隔離環行這種磁性光學器件應用非常普遍，上網的光貓裡就有，光通信骨幹網、接入網、光互連系統無所不在。它們能夠保證信号傳輸的穩定性。光隔離器和環行器每年在光通信中的用量大概有一億隻。
現階段，所有的器件如激光器、調制器、探測器都在陸續芯片化，但是磁性的光電器件現在還沒有集成化，成為集成光電子領域的本征難題，也是集成光學裡缺失的最後一環。器件用量如此巨大，卻全是分立器件（用大塊的晶體組裝起來，就像我們看到的鏡頭、透鏡拼起來粘起來），給未來的發展帶來非常大的難題。此外，到現在為止這類分立的器件中國仍然無法獨立制造，在材料和器件的制備上都存在重大問題。上面說到的光隔離器和環行器，大概每年有八千萬隻都供給中國，但其中沒有一隻是中國完全獨立自主生産的，關鍵材料和部件都是進口美國和日本的，其中美國占65%，日本占35%。實現磁性光電器件的半導體集成可以解決這些問題，進一步還決定着磁性材料能不能跨越現在的技術時代，進入到未來的集成光學系統中。
我們的做法和别人略有不同，UCSB的一位矽光領域的大牛采用的是鍵合的方式做，東京工業大學的一位教授從1984年就開始做，還有MIT的幾位老師，有些人可能做了一輩子也沒有發Science和Nature，沒有走通，卻仍然為着這個理想而奮鬥，可見這批學者科研的定力。
我們離産業化還有多遠呢？他們大部分人是用鍵合的方法做，将做好的單晶直接粘上去，但是這個很難實現大規模生産，我們采用的辦法是讓材料直接生長上去，進而可以做得很小，也可以實現大規模的、并行的制備。通過一些流片的實驗和測試，我們認為自己目前做出的器件是可見報導裡性能最好的。
盡管如此，我們距離産業化前面還有兩座大山，還需要在學術界繼續發展1-2年的時間才能進入産業化的軌道。我們已經和産業界一些最頂級的公司在合作，共同推行産業化發展。他們對此的需求量是非常非常大的，因此我們必須用單片的方式去解決。
我們的工作不僅限于制備目前技術框架下的核心器件，例如光隔離器和環行器，磁性器件的集成化還帶來其他領域很多新的可能性。例如，将磁性的東西做上去之後還可以使用磁性的動态特征，用來做一些信号的處理。例如，我們可以做光磁集成。光是一個相幹體系，而半導體中電子的相幹性并沒有那麼強。把電子激發到半導體的導帶上之後，很快就會發生聲子散射，從而喪失其相幹性。在未來的量子體系中，是需要相幹系統的信号去傳輸的，而光和磁是相幹的，所以光磁集成非常重要的意義在于：信号可以從一個相幹體系轉化到另一個相幹體系，這是非常重要的性質。因此，我們說的材料可能是未來光電子芯片中的核心驅動力，它可以帶來不一樣的東西，這可能是一個例子。
從半導體技術的發展曆史來看，光與磁的結合也非常有意思。我們回顧微電子和光電子的發展，微電子一開始也是分立的器件，後來集成到了芯片上；光電子一開始也是分立，如大的光纖等部分，後來也逐漸集成。磁學最開始也在做集成，如磁帶錄像帶等，但是走了不太一樣的路線，後來用了磁頭和磁盤進行讀取，但是現在半導體存儲的量和成本都在超越傳統磁存儲。今天，磁性材料開始往自旋電子學方向發展，利用spin transfer torque(自旋轉移力矩)和spin orbit torque（自旋軌道力矩），用電流翻轉磁矩，用于存儲，實現與微電子芯片的融合。今天集成光電子技術也在騰飛，磁學也要和光電子芯片結合，然而相關的研究還不多。我認為這一領域是相當廣闊，未來的影響也會是相當深遠的。
（2）關于相變材料
相變過程伴随着材料光學性能的巨大變化，有什麼用呢？今天我們知道電光、磁光、熱光等現象隻能給材料折射率帶來0.01、0.001的變化，需要特别長的器件才能改變光波傳輸的特性，但是材料的相變過程可以直接給折射率帶來0.1~1量級的變化，因此把器件做得更小，便于集成化。
2016年《Science》的十大科學進展中，其中之一就是平面透鏡。原有的凸透鏡是一個三維的體系，而平面透鏡實現了降維打擊，從厘米級、毫米級直接變到了波長的量級（百納米），将此前“又厚又大的”器件幾乎平面化。對于光電子的微納化和低維化，物理參數變化範圍非常大的相變材料就很重要了。磁性材料已經在做産學研結合了，但是相變材料還沒有找到特别合适的，在進入産業界之前可能在學術研究方面還有不少路要走。
Q8.請問目前中國在光學的研究和産業化領域分别處于世界的什麼地位？您對光學器件領域未來的發展方向和應用前景有什麼期待和展望？尤其在即将到來的5G時代背景下，光學器械與光學傳感器方面是否也會迎來新的發展機遇，随之而來的挑戰是什麼呢？
A8. 光芯片發展的一個很大的驅動力就是信息傳輸速度的加快，如5G的發展，帶寬的提升，數據中心數據存儲和傳輸量的上升。
現有的光通信器件難以支撐5G或6G系統發展的原因之一是器件太大了，成本太高了，因此要做成光電芯片。材料能解決芯片一部分的問題，應對帶寬和傳輸能力提高的挑戰。如現在的調制器，用矽材料100Gbps以上就比較困難，而其他的一些新材料如LiNbO3 on Si已經可以到300Gbps。在高速光電芯片中，要求信号非常穩定，這就需要光隔離器與環行器，需要磁性材料來解決這個困境。
Q9：學術界和産業界的相同和不同之處，業界的經曆對學術界有什麼影響？
A9：MIT畢業學生的去向一般是“三分天下”：金融和投資行業、學術界和産業界。很多人會考慮去産業界工作。企業的研發部節奏非常快，内容相當多，每天都有組會。并且随着後摩爾時代的到來，企業研究的半導體集成材料選取非常廣泛，任何的材料，包括大量的非矽基材料，都可以用于研發。由于複雜材料能夠實現非常好的性能，企業會換用各種新材料，而非單純做延續摩爾定律的工作。
再回歸到學術界，學術界相對于産業界更加自由，在學術界中能夠獨立發展研究方向。企業的研發，總體還是更固定一些而缺乏靈活度，有硬性的工作規定；學術界能夠界定自身的未來發展方向，且能夠更多體現個人的credit，而非工業界的以公司為單位進行評判。在學術界需要更高的投入，也會有更高的回報。
我在半導體産業界和學術界都工作過，在半導體産業界的經曆讓我看到了新材料從研究，研發到量産的過程，堅定了對新材料的發展信心。投身學術界以後，如何研究新材料并滿足集成光電子等半導體産業的發展，如何推進新材料的集成和應用，産業界的經曆也給了我一個清晰的圖像。
短暫的一個多小時的訪談讓我們受益匪淺，不僅了解了我國半導體發展的成果與優勢，也認識到了技術的局限與不成熟，同時，學長也為我們解答了本科階段和研究生階段的迷茫與疑惑。不管我們将來身處哪一個行業，都會不忘初心，砥砺前行。
畢磊學長與支隊同學的合影
策劃 | beat365校友訪談（本科生&研究生）聯合支隊
訪談嘉賓 | 畢磊學長
會議記錄整理&文案 | 顧書揚 梁詩萱
排版 | 宋含箫
審核 | 龍圓正 江國琛