紫外光热反应装置

一个人如果对一个方向没有兴趣，就很难真正在科学研究上有很好的发展，兴趣是从事科学研究工作的内在推动力。杨学明中国科学院院士、南方科技大学理学院院长“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”（以下简称大连相干光源）项目近期传来好消息——分子反应动力学国家重点实验室、大连光源科学研究室研究员江凌和中国科学院院士杨学明团队与清华大学教授李隽研究组合作，利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，在类冰中性水团簇七聚体中发现了多个棱柱状和笼状结构，为揭开液态水至微冰的氢键网络演化机制提供了新的思路。对领导该装置研发建设的杨学明来说，团队成员的重要发现值得庆贺，大连相干光源持续产出重量级成果更令人兴奋。作为分子反应动力学国家重点实验室主任，杨学明几十年来遨游于钟爱的学术世界，在国际分子反应动力学领域取得系列重大成果，提升了我国在该领域的国际地位。更让杨学明感到自豪的是，他推动和主导了诸多原创科研仪器的设计研发工作，极大地提升了我国科研仪器的水平。“我是个很幸运的人，一辈子都在做自己特别喜欢的事，而且这些事多少为国家作了些贡献。”杨学明感慨道。从零开始，回国入职大连化物所杨学明学术生涯的转折点出现在2001年。此前，在美国加州大学圣巴巴拉分校获得博士学位后，杨学明在美国普林斯顿大学和加州大学伯克利分校从事了几年博士后工作，而后应诺贝尔化学奖获得者李远哲的邀请，赴台湾原子与分子科学研究所工作，从副研究员干到终身研究员，一待就是6年。2001年，杨学明到中国科学院大连化学物理研究所（以下简称中科院大连化物所）访问。回到攻读硕士学位的母校，杨学明感慨万千，他那颗想要回国干一番事业的心更加炽热。彼时，因出色的学术成绩，杨学明已蜚声业内。正在外地出差的、时任中科院大连化物所所长包信和得知他造访的消息，第一时间拨通了他的电话，询问他是否有兴趣到所里工作。杨学明欣然接受了邀请。而这一声应允，意味着一切要从头开始。原本蒸蒸日上的科研事业要中断，辛苦研制的科学仪器无法搬迁随行，还要从零开始组建科研团队… … 杨学明深知，已过不惑之年的他将要面临怎样的艰辛。但他依然很坚定。回国后，杨学明担任了中科院大连化物所分子反应动力学国家重点实验室主任。中科院大连化物所为其开辟了“绿色通道”，拨给杨学明1000万元启动经费，并尽可能地为其提供自由而优越的科研环境。入职后，杨学明的第一项工作是研究氟加氢反应共振态。“氟氢体系是化学激光领域最重要的研究内容之一。”杨学明说，幸运的是，他很快在这一领域取得了一系列重要成果。由杨学明领导完成的研究工作，连续两年入选“中国十大科技进展”。短短几年，他所带领的团队就成为化学反应“共振态”领域国际知名的研究团队，而分子反应动力学国家重点实验室也成了国际上在这一领域具有重要影响力的研究基地。回首过往，杨学明动情地说：“没有什么比自己的成果给国家科研带来价值更重要。”站位高远，领导研发高端科研仪器除了产出系列重磅成果，让杨学明更骄傲的，是一件件自主设计研发的科研仪器。这些仪器是杨学明驰骋学术战场最有力的“武器”，是他与钟爱的化学世界对话的工具。过去20多年，正是利用自行研制和原创的国际领先的科学仪器，杨学明在化学反应动力学研究方面取得了备受瞩目的研究成果。“我的工作就是用实验物理的方法来研究化学反应，而研究工作的水平取决于实验思路的设计及特殊仪器设备的研制。”杨学明说，“在当代绝大多数科学领域中，先进科学仪器都发挥着非常重要的作用，科学仪器也是国家科技硬实力水平的重要体现。”杨学明领导研发的总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项——大连相干光源已于2018年通过验收。这是我国第一台大型自由电子激光用户装置，也是全球唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置，是世界上最亮的极紫外光源。极紫外光源是对分子进行激发和软电离最有效的光源，有助于科学家在原子分子水平上开展一系列重大科学问题研究。研制一个高亮度极紫外自由电子激光光源，是杨学明在加州大学伯克利分校做博士后研究时就有的一个梦想。“这也是我回中科院大连化物所最想做的事情之一。幸运的是，我得到了自然科学基金委的大力支持。这个梦想终于得以实现。”杨学明说，自然科学基金委在当年资助了体量相对较大的科研仪器设备研发，体现了其魄力和远见。利用这一先进光源，在已开展的实验研究中，科研人员取得了一系列重要研究成果。目前，杨学明正在积极推动我国新一代高重频自由电子激光装置的发展，努力推进深圳规划中能X射线自由电子激光和大连极紫外自由电子激光项目的建设，为科研工作者提供世界上最先进的极紫外和软X射线光源。和当年建设大连相干光源一样，杨学明深知，高重频X射线自由电子激光装置的建设也是一件非常难的事。“但是，我们就是想要做一些别人没做过的事情。”杨学明说。“过去几十年里，我们国家在很多技术领域取得了很大进步，但科研仪器研发的底子还是相对薄弱。科研领域许多方面受制于人，就是因为我们在高端科研仪器研发方面的实力不够。”作为全国人大代表，杨学明在不同场合为发展高端科研仪器鼓与呼。遵从兴趣，投身化学研究领域杨学明的研究内容是原子、分子级别的化学反应过程。原子、分子… … 这个微小却变幻无穷的世界让他着迷。和很多知名科学家从小就因各种机缘对科学产生浓厚兴趣不同，杨学明坦言，他直到进入大学后，才对科学有了初步的认识。“我上初中时虽然对化学很感兴趣，但那主要是因为遇到了一个好老师，与学科本身关系不大。”杨学明笑称。虽然大学学的是物理专业，但中学时对化学的浓厚兴趣，最终还是将杨学明带到化学的世界。“考研时，我极其坚定地选择了化学方向。”杨学明说，“一个人如果对一个方向没有兴趣，就很难真正在科学研究上有很好的发展，兴趣是从事科学研究工作的内在推动力。”人生没有白走的路。“大学物理专业背景，后来成为我在化学动力学研究上的优势。”杨学明说。个人经历让他深知做一个好老师的重要性，以及在科研范式发生重大变化的当下，推进学科交叉融合的紧迫性。2017年11月，杨学明有了一个新身份——南方科技大学理学院院长。“我非常有幸一直走在科学研究的最前沿，也特别兴奋有机会参与南方科技大学理学院的发展和建设，希望自己能够为国内的高等教育改革发展做些事情，特别是在学科交叉融合发展方面做些努力。”杨学明说。如今虽然事务繁杂，但杨学明依旧将至少一半的工作时间留给科研。“让我感到最快乐的，可能就是整天在实验室里面思考科学问题、与学生一起讨论。”杨学明说，“科研工作对我来说，就像南方人每餐都要吃米饭一样，一顿不吃就好像少了点什么。”

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CPB仪器与测量栏目最新发文：基于177.3nm激光的真空紫外光调制反射光谱仪，此装置将有望成为高效无损地探测宽禁带半导体材料电子能带结构高阶临界点的有效光学表征手段，并广泛用于超宽禁带半导体材料及其异质结的电子能带结构研究。光调制反射光谱是通过斩波器周期性地改变泵浦光源对样品的照射来测量半导体材料反射率相对变化的一种光谱分析技术。由于所测差分反射率作为能量的函数在材料电子能带结构的联合态密度奇点附近表现出明显的特征，光调制反射光谱已成为研究具有显著电子能带结构的半导体、金属、半金属及其微纳结构和异质结等材料联合态密度临界点的重要实验技术之一。光调制反射光谱中所使用的泵浦激光的光子能量一般要高于被研究材料的带隙，随着第三代宽禁带与超宽禁带半导体材料相关研究和应用的不断深入，需要更高能量的紫外激光作为光调制反射光谱的泵浦光源。目前国际上已报道的光调制反射光谱系统中，配备的泵浦光最大光子能量约5 eV，尚未到达真空紫外波段。因此，迫切需要发展新一代配备高光子能量和高光通量的泵浦光源的光调制反射光谱仪，使其具备探测超宽带隙材料的带隙和一般材料的超高能量临界点的能力。中科院理化所研制的深紫外固态激光源使我国成为世界上唯一一个能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家，已成功与多种尖端科研设备相结合并取得重要成果。此文详细介绍了由中科院半导体所谭平恒研究员课题组利用该深紫外固态激光源搭建的国际上首台真空紫外光调制反射光谱仪（图1）的系统设计和构造，将光谱仪器技术、真空技术、低温技术与中科院理化所研制的177.3 nm深紫外激光源相结合，同时采用双单色仪扫描技术和双调制探测技术，有效避免了光调制反射光谱采集中的荧光信号的干扰，提高了采集灵敏度。该系统将光调制反射技术的能量探测范围从常规的近红外至可见光波段扩展至深紫外波段，光谱分辨率优于0.06 nm，控温范围8 K~300 K，真空度低至10-6 hPa, 光调制反射信号强度可达10-4。通过对典型半导体材料GaAs和GaN在近红外波段至深紫外波段的光调制反射信号的测量对其探测能力进行了性能验证（图2）。此装置将有望成为高效无损地探测宽禁带半导体材料电子能带结构高阶临界点的有效光学表征手段，并广泛用于超宽禁带半导体材料及其异质结的电子能带结构研究。该系统基于中科院半导体所承担的国家重大科研装备研制项目“深紫外固态激光源前沿装备研制（二期）”子项目“深紫外激光调制反射光谱仪”，目前已经初步应用于多种半导体材料在深紫外能量范围内的能带结构和物性研究，并入选《中国科学院自主研制科学仪器》产品名录，将有望在推动超宽禁带半导体材料的电子能带结构研究、优化超宽禁带光电子器件的性能方面发挥重要作用。图1. 深紫外激光调制反射光谱仪图2. 177.3 nm（7.0 eV）激光泵浦下的GaAs在1.2 eV至6 eV内的双调制反射光谱及对应能级跃迁