...校長杯」創新挑戰賽銅獎項目「高性能掃描隧道顯微鏡」及其團隊

為納米尺度的科學研究插上翅膀

——記清華大學「校長杯」創新挑戰賽銅獎項目「高性能掃描隧道顯微鏡」及其團隊

研通社記者 謝 佩

　　首屆「校長杯」創新挑戰賽由清華x-lab發起並主辦，自2013年12月啟動以來，共吸引了125支由清華大學在校學生、校友及教師組成的團隊參賽。歷經初選、複選、半決賽的激烈角逐，最終金銀銅獎十強團隊脫穎而出。張磊團隊的項目「高性能掃描隧道顯微鏡」成功闖入十強，最終斬獲銅獎。在基礎科學的高端儀器裝備製造領域製造出性能更優、成本更低的高端產品是張磊團隊所追尋的目標。

開端：「技術是被逼出來的」

圖為團隊在獲獎現場。

　　「高性能掃描隧道顯微鏡」無疑是本屆「校長杯」創新挑戰賽中科技含量和單元造價最高的項目。作為一種利用量子力學隧道效應探測物質表面結構的儀器，其在表面物理等納米尺度的科學研究中發揮重要作用，當然造價也不菲。

　　張磊是該項目團隊的創始人兼CEO，畢業於清華大學2001級理學院基礎科學班，後前往德國卡爾斯魯厄大學攻讀博士學位，師從伍爾夫菲克教授從事表面物理方面的研究。張磊掌握著隧道掃描顯微鏡製造的核心技術，對市面上的各類隧道掃描顯微鏡如數家珍，「一臺常見的4K級的掃描隧道顯微鏡售價為60萬歐元」。

　　「我們實驗室在研究稀土元素時希望通過一個原子的不同量子態來儲存信息，但兩個量子態往往相差的能量僅為零點幾毫電子伏。若用4K級的掃描隧道顯微鏡進行觀測，噪音往往都超過兩毫電子伏，將導致原子的狀態無法穩定。因此這一研究需要藉助更高能量解析度的掃描隧道顯微鏡。」張磊表示，「我們自行製造具備更高性能的1K級顯微鏡完全是出於研究的需求，甚至可以說是被逼出來的。」後來張磊所在科研團隊在 Nature 、P.R.L.等頂尖雜誌發表了十餘篇通過使用該設備進行研究的論文。

　　張磊研發的掃描隧道顯微鏡主要包括兩個核心技術——低溫恆溫儀及STM探頭的改進和創新。張磊採用液氦向自由空間的絕熱膨脹的方法來獲取更低的溫度，他利用這項技術在實驗中已獲得800mK的穩定低溫。目前張磊團隊已經開始研製基於10mK低溫恆溫儀的掃描隧道顯微鏡，不久這臺10mK級設備將會面世。STM探頭是顯微鏡的核心部件，張磊在設計時進行了熱學、力學、電磁學全方位的綜合計算和模擬，其設計出的探頭具有很強的穩定性。使用該探頭觀測樣品時，機械噪聲幅度小於200飛米，而其電、熱噪聲水平也處於世界先進水平。

　　「掃描隧道顯微鏡的研製過程真的很艱難，從圖紙的設計，每根導線的焊接到每顆螺絲的拼裝，都是我親自動手。」在製造這樣一臺高性能顯微鏡的過程中，張磊也曾遇到過巨大的困難。「我從清華畢業到德國的實驗室時對於實驗物理還非常陌生，一切都是從頭開始摸索」，張磊談到，「實驗室由於實驗意外火警就引發過兩次，還好每次都是虛驚一場」。

　　張磊在研製過程中曾遇到過一個奇怪的故障，掃描隧道顯微鏡在低溫的超真空環境下出現氦氣洩漏。這個問題在常溫下根本復現不出來，洩露點找不到，張磊與伍爾夫菲克教授為此苦惱了很久，「我們當時幾近絕望，甚至差點打算推倒重來」。後來張磊靈機一動利用電吹風模擬實驗環境下的超低溫造成的溫差處理可疑的表面，利用氦質譜儀終於找到了洩漏點。用張磊的話說，這是他在研製顯微鏡的滾滾硝煙中最為自豪的一場戰役。

回國：探索高新技術產業化的道路

　　「既然擁有製造如此高性能掃描隧道顯微鏡的技術，為什麼不把我們的技術產業化，為廣大的科研工作者造福呢？」張磊從德國卡爾斯魯厄大學畢業時產生了將他們的技術推廣的想法。「掃描隧道顯微鏡是納米技術研究必須的高端科研儀器，高性能的掃描隧道顯微鏡將會成為中國在這一科研領域的助力。」同時考慮到中國的製造成本比國外更低，張磊決定將目標瞄向中國市場。

　　由於對國內市場拓展不太具有把握，張磊找到了清華2010級MBA杜欣作為聯合創始人，共同創辦了INS NANO。杜欣在市場拓展、戰略財務、風險投資方面有著多年的工作經驗，和張磊也是多年的朋友。同時他們還邀請伍爾夫菲克教授作為聯合創始人和技術顧問，導師的支持鼓舞並堅定了張磊的創業信念。

 　　張磊於2013年底正式組建好了創業團隊，他的研製成果被評為張家港「領軍人才」計劃重點引進項目進入中國，張家港市還為張磊團隊提供了200萬元的啟動資金。「張家港市給予我們的創業項目以很大的支持，我們非常感激。但由於張家港本地科研資源有限，我們希望通過入駐清華大學X-lab來為產品推廣構建更大的平臺。」

 

圖為張磊在實驗室調試掃描隧道顯微鏡零部件。

　　在項目入駐清華大學X-lab後，杜欣以聯合創始人的身份與清華大學物理系相關課題組展開了交流。杜欣表示，「清華大學物理系的科研水平很高，但同時物理系設備資源仍然十分緊張，因此物理系的教授對我們的產品產生了濃厚的興趣。」多次交流後，他們就在物理系構建一臺掃描隧道顯微鏡樣機達成了合作意向。「選擇清華大學物理系作為產品的發布平臺，是因為我們希望我們的產品能夠真正在科研中發揮作用，而不是僅僅作為展品陳列在X-lab的會議室中。」物理系的王亞愚教授為張磊團隊專門騰出了一間實驗室作為樣機的搭建場地，並為其配備了2位博士生協助工作。對此杜欣感慨道，「王亞愚教授的鼎力相助讓我們非常感動。」

　　高新科技的產業化註定是一條漫長的道路，但是張磊團隊有著自己的規劃。杜欣表示，「我們首先希望搭建好第一臺產品並進行發布，逐漸形成品牌效應。並通過與科研機構一對一的溝通達成更廣泛的合作意向。我們的產品不同於其他密集型行業，用戶對可定製性的要求很高，因此所採取的營銷方式也將與傳統模式有所區別。」張磊團隊將始終秉承客戶至上的理念為科研工作者做好點對點的服務，在設備後期的維護上設置相關代理人，提升用戶購買產品的信心，而這也是點對點營銷模式的核心。

思考：如何打破與國外高新製造業的差距

　　中國的製造業規模早已成為世界第一，但高科技製造也卻仍然與發達國家存在不小的差距，如發動機、精密工具機、精密儀器等行業在中國始終發展緩慢。對此張磊認為，中國大多數學生缺乏動手能力的鍛鍊和相應的氛圍是制約高科技製造業發展的一個原因。「在德國，女孩子的生日禮物是一把電鑽是一件毫不稀奇的事情。他們從小就培養孩子的動手能力，長大後在製造工藝上也常會有創造性的想法。」

　　「在推廣產品的過程中，我們發現一件非常有意思的事。很多國外的科研工作者不會買成套的隧道掃描顯微鏡，而是買諸如低溫恆溫儀等核心設備，他們會通過自行組裝的方式來搭建滿足需求的科研儀器。」張磊對這種「DIY精神」非常認同。科學研究驅使著科學儀器性能的提升，而科學儀器的進步又進一步推進科學研究，這種相輔相成的作用十分微妙。「只有科研工作者自己才知道究竟需要什麼樣的儀器，科研工作者如果DIY自己的儀器，往往會使得研究更加高效。」

　　張磊認為，「國內和國際製造業先進水平的差距是個非常複雜的問題，涉及到技術水平、研發投入、基礎科研水平、裝、產業工人素質甚至文化傳統和企業誠信等多個方面，絕不是很快就能迎頭趕上的，需要一個過程」。當前國內的製造業既存在不足又在逐漸發展，對張磊團隊既是挑戰，又是機遇。「我們希望通過改良自己的核心技術，來彌補需要進口次要部件的不足，隨著中國製造業的進步及一直以來的低成本，我相信我們的產品一定能夠在中國打開市場，創造一個領先於世界的品牌。」張磊對於未來的發展充滿信心。

　　「中國的製造業很具有價格優勢，如果能夠在工藝上有所突破，必然會讓中國的產品更具競爭力。」張磊與清華大學機械系助理教授劉磊展開了合作，劉磊能夠為其提供專業的焊接工藝。在張磊看來，中國是不缺乏技術的，但是缺乏技術的整合。「通過合作等方式整合資源，將優秀的技術有效結合起來，是推動製造水平進步的一個途徑。」張磊對於每一個合作機會都非常重視。

　　張磊團隊的夢想還遠遠不止於此，掃描隧道顯微鏡只是一個開端。他們渴望著能夠和其他中國的高端科研儀器生產公司展開合作，為科學研究提供一體化的解決方案，構建一個中國版的國家儀器公司。讓我們期待張磊和他的團隊，攜著「為納米尺度的科學研究插上翅膀」的夢想，為中國高新技術產業注入新的活力。

（清華新聞網6月5日電）

編輯：蕾蕾