垒好“砖石”，芯片技术砥砺奋进正当时——记大连理工大学机械工程学院副研究员江诚鸣

梁佳欢

江诚鸣

日常生活中，当我们看到美丽的风景，或者面对一桌子美食时，总会情不自禁拿起手机，拍下照片，定格这美妙的瞬间。然而怎样才能让照片更清晰，让色彩环境看上去更美好？这就涉及光电的一个重要研究方向——图像传感器。

“图像传感器相关的技术领域主要被日本和美国一些芯片公司所垄断，国内的产业技术其实还需要努力。”日前，大连理工大学机械工程学院副研究员江诚鸣在接受记者采访时说。他多年来致力于研究高性能数字图像传感器芯片技术、集成化光子晶体管芯片技术和智能制造人机交互技术，在人们日常使用的手机、相机等物品中有广泛的应用。

对于这些拥有核心技术的芯片的自主研发工作，江诚鸣认为一步一步垒好“砖石”任重道远。

严谨认真，求学路上抹不去的烙印

2006年，江诚鸣以优异的成绩考入西北大学，报考专业志愿的时候，他毫不犹豫地选择了物理学专业。

江诚鸣坦言，当时他也不懂这个专业未来的发展方向。选择这个专业的原因很单纯，就是因为高中时自己的物理学得比较好，并且对物理学挺感兴趣。

大学四年的生活在江诚鸣身上烙下了严谨认真的印迹。“在物理学这个方向，大家的学习态度以及整体学习氛围都是比较严谨、认真的。这对我的影响非常重要，也为日后在学术上的发展，打下了坚实的基础。”

从2010年开始到美国阿拉巴马大学求学，到2016年获得博士学位，江诚鸣在美国工作生活了6年。经过这段时间的锻造，江诚鸣在学术上走向成熟。

刚到美国求学的时候，江诚鸣依旧选择攻读物理学的博士学位，并且得到了全额奖学金的资助。“但是在攻读的过程中，我发现物理学理论性比较强、实践性比较少。”江诚鸣说，他通过自我评估，发现自己对科学实验更感兴趣。恰好当时材料学方向缺一个博士，顺应这个契机，江诚鸣转到了材料科学专业。

“我在美国的导师——宋金会教授，也是大连理工大学纳米光电研究所所长。他对我的影响很大，不管在科研上，还是在工作中和生活中，他都给我提供了很多帮助。在我遇到困难的时候，他总是以过来人的身份对我进行指导。”江诚鸣说，导师就是他的引路人。

2016年，江诚鸣一毕业就回国了。当时，宋金会教授已将整个团队迁回国内，加入大连理工大学，江诚鸣也顺理成章地来到了大连理工大学，开始帮团队组建实验室。“毕业时也想过留在美国，但后来发现国内的发展对我更有吸引力。毕竟作为一个中国人，还是想回到自己的祖国做贡献，这是更值得，也更感光荣的事。”虽然在美国工作会有更好的物质条件去享受，但在江诚鸣看来，心灵上的富足更重要。

在回国后的去向问题上，还有一段小插曲。当时，江苏的一所高校也向江诚鸣递出了橄榄枝，这对于身为江苏人的他来说，还是很有诱惑力的。但最终他还是选择了大连理工大学。“虽然有其他offer（录用通知），但是从团队整体性的角度出发，以及未来发展前景等方面考虑，我觉得大连理工大学的平台可能更适合我，让我能够获得更好的平台支撑，也让我回国的抱负和理想更容易实现。”

大连理工大学是教育部直属全国重点大学，也是国家原“211工程”和“985工程”重点建设高校。2001年以来，学校共获国家科技奖励47项、省部级科技奖励490项。组建富于拼搏和创新精神的研究小组，独立开展研究工作，是显著成绩背后的诀窍。此外，学校在各类人才计划上予以重点支持，提供所需的人力、物力等支持。

江诚鸣就是一个例子。回国后，江诚鸣被聘为大连理工大学副研究员，学校为其提供独立的教研室。其所在的传感与振动研究所拥有国内先进的精密及特种加工以及检测设备，形成了具有高质量的微纳制造为优势的特色团队，而江诚鸣也可以根据国家重大需求，以及本学科的重点发展方向。

“纳米尺寸上的一些跟光和电有关的功能性的器件。”这是江诚鸣对自己研究方向的一句话概述。多年来，他主要研究包括图像传感器、压力转化传感器以及光子逻辑芯片等在内的微纳系统，负责及参与了国家自然科学基金等7项横纵向课题；他还作为国家重大专项第二责任人，承担其中多项子课题；作为骨干参与2018国家重点研发计划等重大项目……负责总项目经费近3000万元。

优秀的人到哪里都会发光，随之而来的奖励也是他所付出努力的见证。2015年，还是学生的江诚鸣荣获了“国家优秀留学生奖”，2018年，参加工作的江诚鸣又荣获了大连理工大学“星海优青”称号。迄今为止，江诚鸣已在国内外发表SCI期刊论文30余篇，其中TOP类期刊10余篇，作为第一或通信作者发表论文19篇，申请国内外专利10多项，担任多个国际著名期刊审稿人。

原创和开创，意义重大的累累硕果

从求学到工作，在微纳光电与传感芯片研究方面，江诚鸣取得了一系列具有国际重要影响力的原创性和开创性研究成果。

高性能数字图像传感器是江诚鸣的一个主要研究方向。他的一项研究成果——新一代高性能数字图像传感器，实现了高技能的土壤传感器研究，通过“国家集成电路委员会”认证，具有国际领先技术水平。

江诚鸣介绍，这一成果系统研究了纳米半导体材料的光电特性，研制成功基于三维半导体材料的超高分辨率数字图像传感器，大幅度突破当前CCD、CMOS分辨率极限。“当前，国际上最高分辨率的数字图像传感器达1.12微米，已经非常接近硅基半导体微电子器件的分辨率极限，而我国现在能自主生产的数字图像传感器分辨率远落后于这一极限指标。”为此，江诚鸣利用半导体材料的纳米结构，通过纳米尺寸来优化最小感光材料，同时通过高分子表面活性处理，以及完全不同于基于硅基的CCD和CMOS的工作机理，成功研制了纳米级分辨率的数字图像传感器。“它的分辨率具有50纳米，也就是0.05微米的像素点大小，在分辨率这一重要参数上，是现在最高分辨率CCD的近100倍。如果按感光像素面积计算，是现在国际最高分辨率CCD的近万倍（100×100）。”江诚鸣自豪道。

该研究成果一经发表在Top 期刊Advanced Materials上，就引发广泛关注，美国Nanowerk、《环球时报》、《科技日报》等相继对其做了深入报道。因为该成果很大程度上超越了现有的国外拥有核心技术的传统土壤传感器技术，在技能上和功能上也都有很大的提升。所以，2015年，它被图像传感器行业列评为“十大传感器事件”。

此外，江诚鸣还承担研发了新一代的光子逻辑运算芯片及微纳谐振传感芯片等众多创新性成果，多次参与地方媒体的报道与路演，得到社会各方的广泛关注与认可。

在纳米谐振光子晶体管方面，江诚鸣利用成功制备了晶圆尺寸的超小型高性能有机光源驱动晶体管，直接解决了光系统逻辑电路的光控门集成问题。同时，该光子晶体管垂直控制系统可以高达106的超高光电性能开关比，直接将集成化光子晶体管的实际性应用推入一个全新的阶段。更重要的是，他首次实现了晶体管的高抗电磁干扰能力，从元件上解决了电子设备易受外界电磁波干扰的这一世界性的难题，为光子晶体管的发展和逻辑电路芯片的研究提供了坚实的实验方法。该研究成果发表在Top期刊ACS Nano上，为全新的光子计算领域提供了新思路，也为其应用开启了新的方向。

纳米级微小悬臂梁制备及检测是个复杂且困难的实验，之前没有相关的研究，而且已有的测量设备和建立的表征方法不能直接测得其芯片谐振状态。江诚鸣发明了一种直接测量纳米线谐振状态的新方法，该方法作为一种普遍适用的测量方法，可以用于作为测量极微小质量的传感芯片，该芯片将最小质量测量的极限从10-16g提升至10-18g，近2个数量级。这项研究成果者发表在Top期刊Nano Letters上，对于微小质量高精度测量的研究具有十分重要的意义。

在谈到光子逻辑芯片的发展时，江诚鸣介绍：“我们抛弃了传统的硅材料，也就是使用电子进行核定算的原理，而采用光子来代替电子，从而实现它的逻辑开关功能。它最大的优势就在于具有很强的抗电磁干扰能力，保证了逻辑芯片的CPU的稳定性。在军事战争中，如果遇到了电磁炮等的攻击，它依然能够保持良好的工作状态。我觉得在国防安全领域，它都有比较广的应用前景。”

核心技术，避免被“卡脖子”的“砖石”

“中美贸易战让我们深刻意识到很多核心技术不能靠别人，得靠我们自己。但是因为我们起步较晚，很多事情都是在别人已经搭建的大厦上面再进行进一步的推广或者发展，所以一旦人家把这种底层的技术封锁，后面的工作就无法开展。”江诚鸣感叹，这是个任重道远的过程，要从最基础的理论进行学习和深入研究，把脚底下的“砖石”垒实，就不会再因为某一个环节“卡脖子”。而江诚鸣正在做的事，就是依靠自己掌握的核心技术，避免被人“卡脖子”。

“在目前研究的基础上，以无机和有机半导体特性为研究目标，深入开展其在逻辑芯片、光电芯片及微纳机械芯片等方面的基础应用研究，为我国集成电路应用提供理论支撑和技术基础。”江诚鸣介绍，他将致力于做好垒“砖石”的工作。

“由于加工纳米像素和电路的工艺要求极其复杂，在下一代数字图像传感器的研究方面还有很多路要走。”江诚鸣介绍，纳米材料的可控合成制备是这一研究计划中各研究方向的基础。

他们计划通过物理、化学、微电子加工等不同方法合成制备大量规则半导体纳米阵列，然后利用半导体纳米阵列将作为核心感光纳米像素，进一步加工形成可读取的数字图像传感器像素点。除了从底到顶的原子层生长方式，还将研究提高微电子加工的光刻方法，以期在高质量半导体薄膜上制备大量规则的半导体纳米结构。另外，还将研究高分子表面活性剂对半导体纳米结构的性质影响，以提高器件对图像传感的响应性能。最后，高导电性的金属合金作为信号读取通道，从而形成完整的具有纳米级别分辨率的下一代数字图像传感器。这种种规划，都将为我国的图像传感器芯片领域发展，起到强有力的推动作用。

团队合影

在有机光子逻辑芯片的研发方面，未来也大有可为。“当前科学界对光子逻辑芯片的研究还非常有限，目前还都停留在外部光源间接驱动的运用上。后续项目拟系统研究氧化锌纳米线在进入集成化近场光子驱动之后，由于其高表面能以及高原子键能改变而导致的逻辑运算特性发生的变化。”江诚鸣计划，用实验的方法研究光子集体管的尺寸效应，同时结合后期将通过实验的方法实现带有逻辑运算功能的光子逻辑运算门系统，从而实现推动新一代的光子晶体管计算机发展的效果。

而在纳米谐振芯片的研发方面，江诚鸣计划设计新的实验模型，从而根本上避免非均匀应变、缓慢形变、不稳定接触力以及导致的测量偏差，进而可以精确表征纳米线的机械性能。“如果这个成果取得成功，将为纳米机械方向相关的纳米能源、纳米机电等领域进行深入的研究和发展提供新的发展方向。”专家评价。

“未来，我们还要依托大连理工大学先进制造技术团队，以课题组内的教授、副教授为骨干力量，着手建设精干青年人才团队，申请国家优青基金项目，谋划国家重大课题，力争前沿国际合作项目。”江诚鸣介绍，建立大连理工大学在集成电路技术领域的优势地位，推动高性能芯片技术在企业的成果转化与应用，服务辽宁省本地企业，也是他科研工作的目标。

严谨认真的态度，原创和开创性的成果，再以一步步垒好的核心技术“砖石”基础加持，我国芯片产业的蓬勃发展图景仿佛已经在眼前。江诚鸣和他的团队仍在芯片事业中不断谱写新篇章。风劲帆满图新志，砥砺奋进正当时！