几个月前,我在文汇大厦的一次座谈会上结识了中科院上海技术物理所的一位中年科学家——中科院红外物理国家实验室副主任褚君浩副研究员。那天,褚先生递上的一张名片赫然令我心动:中科院红外物理国家实验室……。作为跨越固体物理及光学两大学科的交叉科学,红外物理是近20年来蓬勃发展的物理分支学科,它和军事、工业、农业、航空遥感、卫星空间遥感等领域关系密切。去年爆发的海湾战争将红外探测器、夜视仪等一批科技新词推向寻常百姓,这些都促使我去了解褚先生及其实验室的工作,于是就有了相隔数月之后的这次采访。
和褚先生一番交谈后我得知,褚先生近10年来主要从事碲镉汞(红外探测器的一种最主要材料)研究。碲镉汞(HgCdTe)与硅、砷化镓并列为目前世上最受关注、投资最巨且收益也最可观的红外探测器材料。美国星球大战计划中所采用的大面积焦平面列阵的红外探测器就是用这种材料研制的。由于褚先生及其同事的忘我工作,中国科学家在这一高技术领域的某些方面已经处于国际领先地位,如碲镉汞材料吸收光谱的测定工作,国际上公认褚先生等人的测量数据是迄今最完全、准确的。美国碲镉汞研究权威席勒(Seiier)教授1990年在其论文中将褚先生等人从测定的光谱曲线所获得的禁带宽度经验公式命名为CXT公式,其中C即为褚先生的姓,X是另一位同事,T是褚先生的导师、著名的红外物理学家汤定元教授。国际上许多著名研究机构的碲镉汞研究学者在他们的论文中大段引用褚先生的工作;英国菲立浦研究中心在研制碲镉汞薄膜材料时,也以褚先生等测量的体材料的吸收光谱作为标准参照。美国桑塔巴巴拉研究中心也根据褚先生等的研究结果,建立判断器件光谱响应的方法。除了上述工作外,褚先生及其同事还得出了碲镉汞材料的能带参数、本征载流子浓度、有效质量等的经验公式以及禁带宽度能量处的吸收系数规律、吸收边的规律等等,这些都是新的结果,发表在权威的Applied physics letter(应用物理通讯),Journal of Applied physics(应用物理杂志)等杂志上。
此项工作中的一个难题是如何将碲镉汞材料样品做得尽可能的薄(厚度只有几微米),而且要能做出一系列不同组分的这样的薄样品,因为这样才能测量到完全的吸收光谱,得到的结果就较准确、全面,既有不同温度(从4.2 k到300 k),又有不同组分。但在实验中要做如此薄的样品是非常艰苦的,需要长时间地、不厌其烦地做实验,想方设法采用不同工艺条件去研制,还得重复进行试验。在汤先生的指导下,凝结中国人智慧的、领先于世界水平的碲镉汞体材料薄样品的吸收光谱终于做成功了。
讲到此,褚先生动情地对我说,虽然当时我们的实验条件尚不及国外,但我们发挥自己的特色,有新的思想,不怕艰苦,反复地做,照样做出了具有世界水平的结果。
今年47岁的褚先生在恢复研究生招生后首批考取中科院上海技物所,先后在该所攻读硕士、博士学位,他的导师即是著名的红外物理学家、中科院学部委员汤定元教授。在谈及自己的经历时,褚先生说,我从小喜欢物理,高中时曾写过二万余字的物理学论文,受到周同庆、许国保教授的鼓励,考大学时物理100分,1966年毕业后在中学任物理教师。在这段时间里,我业余研究过理论物理和基本粒子,还写了一些普及物理科学知识的文章和书,其中《能量》一书出版后得到张瑞琨等先生的好评。
6年的研究生生涯使褚先生能站在更高的基点上关注红外物理及他从事的碲镉汞材料的研究工作。1986年,褚先生得到德国洪堡奖学金,在慕尼黑技术大学作了为期2年10个月的研究工作,后于1988年底回M。其间德国专家如何婉言相留,或高薪相聘等情节,褚先生只是略略带过,并未多谈。而后来我知道,当时褚先生的妻子、儿子也都在德国,应该说他若想留下来并非没有理由,但褚先生更多的是想到他的国家、培养他的技术物理所及他的导师。当时他的儿子已在德国读了两年多(初二~高一),但也随父母一起返国。褚先生认为中国青少年首先应把中文学好,学习、了解自己国家的文化、历史,有了这个根底,日后才能有大发展。我想褚先生的这一见解是可以令很多人来考的。
话题又回到碲镉汞上。褚先生向我介绍了他和他的同事们近年来在这一领域的其他几项工作。
其一是碲镉汞远红外光谱和晶格振动,这一工作主要是发现了晶格的声学声子远红外光吸收。由于无序和混晶效应引起的低频晶格吸收是褚先生他们最早发现的、英国、德国科学家到他们实验室,在了解了中国同行的工作后,马上修改了他们原先的远红外探测器计划。褚先生他们还从碲镉汞远红外反射光谱研究发现了混晶半导体晶格振动的多模行为,建立了理论模型,解释了实现观察到的新现象。
其二是碲镉汞光学常数的研究,所得到的远红外复介电函数、复折射系数、禁带宽度附近的折射率及这种折射率如何随波长变化的关系式等数据都属于填补国内外空白的工作。
其三是杂质缺陷方面的研究。褚先生他们发明了一种用测量电容谱的方法研究杂质共振缺陷态的方法;发现了碲镉汞中一种新的共振缺陷态,同时他们还提出了如何消除杂质缺陷态的方法。
其四是碲镉汞材料二维电子气的研究。褚先生告诉我说,半导体体材料中的电子是在三维空间中运动的,半导体材料还可以做成二维结构,让电子在二维平面中自由运动,而在垂直于这个二维平面的另一维方向上,电子只能在量子化的能级间跃迁,这就叫二维电子气。子能带结构是描述二维电子气的基础。他提出了一种研究子能带结构的模型,建立了一种方法,即根据实验结果,将其输入这个模型中,输出的结果即为实际样品的子能带结构,不同掺杂浓度、不同禁带宽度以及不同表面电子浓度时样品的子能带结构均可以据此测出来。褚先生还首次获得了碲镉汞子能带电子的色散关系,朗道能级扇形图,仔细研究了表面电子自旋轨道相互作用对它们的影响,获得一系列国际领先的结果。特别值得一提的是,碲镉汞子能带电子的自旋共振、回旋共振现象是褚先生首先发现的,这方面的工作已发表在权威的Physical Review(物理评论)s Surface Science(表面科学)和《中国科学》等杂志上。
除以上工作外,褚先生及其同事在液相外延碲镉汞研究、建立碲镉汞材料的物理判别方法等方面都有新的建树。褚先生迄今已发表70篇有关碲镉汞材料的研究论文,其中54篇在国外学术会议和国内外学术刊物上发表;16篇在国内学术会议上发表。其中大多数是褚先生为第一作者的研究论文。据很不完全的统计,这些论文已被国外同行引用50多次,10多个国家的科学家,包括奥地利物理学会主席还专门来函索要有关论文单行本。褚先生他们的研究成果已获得了3986年中国科学院科技进步一等奖,1987年上海市科技进步二等奖,1987年国家自然科学四等奖,1989年中国科学院科技进步三等奖,最近他们的成果“用于红外探测器的窄禁带半导体的光学和电学性质研究”又初评为1992年中国科学院自然科学一等奖。
采访已近一小时,临结束时,我请褚先生再谈一下国际上或者说他们实验室下一步的研究计划,因为通过以上的采访交谈,我知道自己的采访对象和他所在的实验室至少在缔镉汞材料的研究水平方面和国际水平是同义语。
“我们今年开始做的一项工作是量子阱红外探测器。这是一种独特的红外探测器,它利用量子阱中子能带间的光跃迁来探测红外光,由于其具有价格低、均匀性好,可制作大规模焦平面列阵红外探测器等优点,因而虽然只有6 ~ 7年的时间,但国际上发展很快。我们力求跟上世界新潮流,单元的量子阱红外探测器我们已经可以做出来,接下来准备做多元的。”“关于碲镉汞的研究还要再上一个台阶,进一步弄清深层次的物理问题,为提高红外探测器的性能服务。”
与褚先生道别后,我心里一阵快慰。今天的采访使我有机会向我刊读者介绍我国一位中年红外物理学家的工作,而着力介绍我国在科研第一线作出突出成就的中青年科学家正是本刊的主旨之一。我们期待着褚先生及其同事在红外物理研究中硕果迭出,为中国科学争得更多的荣誉。