突破材料界限，打造更好的电子产品

本科生们，请注意：你在这些入门课程中学到的课程可能是你做出下一个重大发现的关键。至少，麻省理工学院的Jeehwan Kim就是这种情况。

Kim最近在麻省理工学院机械工程系和材料科学与工程系担任终身教职，他在材料的纳米结构方面取得了许多发现，并将它们直接用于下一代电子学的发展。

他的研究旨在推动电子产品超越硅的固有极限，硅是一种可靠地为晶体管和大多数其他电子元件供电的材料，但随着越来越多的计算能力被封装到越来越小的设备中，性能正在达到极限。

今天，Kim和他在麻省理工学院的学生正在探索可以取代硅的材料、设备和系统。Kim正在应用他的见解来设计下一代设备，包括低功耗、高性能晶体管和存储设备、人工智能芯片、超高清micro-LED显示器和柔性电子“皮肤”。最终，他设想这种超越硅的设备可以内置到足够小的超级计算机中，可以放在你的口袋里。

他的研究成果被记录在200多项已颁发的美国专利和70篇研究论文中，他和他的学生还在继续增长。

Kim将他的许多突破归功于他在大学时代学到的基础知识。事实上，他一举一动都随身携带着大学教科书和笔记。如今，他把本科生笔记——用轻盈细致的石墨和墨水写成——放在离麻省理工学院办公桌最近的书架上，近在咫尺。他在自己的课堂讲座和演讲中，以及在集思广益研究解决方案时都引用了它们。

“这些教科书现在都在我的大脑里，”Kim说。“我了解到，如果你完全了解基本原理，你就可以解决任何问题。

根本性转变

金并不总是一个模范学生。他在韩国首尔长大，一心想从事音乐事业。他对唱歌充满热情，对大多数其他高中科目感到厌烦。

“这是非常单调的，”金回忆道。“我对高中科目的积极性非常低。”

高中毕业后，他进入了弘益大学的材料科学专业，在那里他很幸运地遇到了从麻省理工学院毕业的教授，后来他们激励他去美国学习。但是，Kim在那里度过了他的第一年，试图成为一名音乐家。他创作和演唱歌曲，录制并发送给发起人，并参加了多次试镜。但一年后，他没有接到任何回电，而且是一个棘手的问题。

“我该怎么办？这对我来说是一场危机，“Kim说。

在第二年，他决定尝试材料科学。当他旁听第一堂课时，他惊讶地发现，这门课——原子尺度上材料的结构和行为——让他想了解更多。

“我的第一年，我的 GPA 几乎为零，因为我没有上课，而且会被踢出去，”Kim 说。“然后从第二年开始，我真的很喜欢材料科学的每一门学科。在图书馆看到我的人都感到惊讶：“你在这里做什么，没有吉他？这些教科书我一定读了10多遍，觉得我真的理解了一切基本的东西。

返璞归真

他将这种新发现的热情带到了首尔国立大学，在那里他注册了材料科学硕士课程，并学会了将他吸收的想法应用于实践研究问题。冶金学是当时的主导领域，Kim被指派进行高温合金实验——混合和熔化金属粉末，以制造可用于高性能发动机的材料。

完成硕士学位后，Kim想继续在海外攻读博士学位。但要做到这一点，他首先必须在军队服役。接下来的两年半时间里，他在韩国空军服役，帮助维护和加油飞机，并清点零件。与此同时，他一直在准备国外研究生院的申请。

2003年，在完成服役后，他前往海外，在那里他被加州大学洛杉矶分校的材料科学研究生课程录取，并获得了奖学金。

“当我第一天从飞机上下来去宿舍时，人们在阳台上喝着电晕，播放着音乐，天气很好，我想，这就是我应该去的地方！”Kim回忆道。

在攻读博士学位期间，他开始潜心研究电子材料的微观世界，寻找操纵它们以制造更快电子产品的方法。这个主题是他的顾问关注的焦点，他之前曾在贝尔实验室工作，当时许多计算创新都起源于贝尔实验室。

“我读的很多论文都来自贝尔实验室和IBM T.J. Watson，我印象深刻，心想：我真的很想在那里成为一名科学家。那是我的梦想，“Kim说。

在攻读博士学位期间，他联系了IBM的一位科学家，他的名字不断出现在Kim正在阅读的论文中。在他的第一封信中，Kim写了一个关于他自己的博士工作的问题，该工作解决了一个棘手的行业问题：如何拉伸或“应变”硅，以尽量减少随着更多的晶体管封装在芯片上而发生的缺陷。

这个询问开启了一场对话，Kim 最终接受了询问，并被录取到纽约市郊外的 IBM T.J. Watson 研究中心实习。在他到来后不久，他的经理向他提出了一个挑战：如果他能解决一个新的、更困难的问题，比如更换硅，他可能会被全职聘用。

当时，电子行业正在寻求锗作为硅的可能继任者。这种材料可以在更小的尺度上传导电子，这将使锗能够被制成更小的晶体管，用于更快、更小、更强大的设备。但是没有可靠的方法可以“掺杂”锗 – 这是一个重要的过程，用另一种类型的原子替换材料的一些原子，以控制电子如何流过材料。

“我的经理告诉我，他没想到我能解决这个问题。但我真的很想要这份工作，“Kim说。“所以日日夜夜，我想，如何解决这个问题？我总是回到教科书上。

这些教科书让他想起了一个基本规则：如果两个原子的大小相似，用另一个原子替换一个原子会很好用。这个启示引发了一个想法。也许锗可以掺杂两个不同原子的组合，其平均原子尺寸与锗相似。

“我想出了这个想法，不久之后，IBM证明它有效。我感到非常惊讶，“Kim说。“从那时起，研究就成了我的激情所在。我这样做是因为它太有趣了。唱歌和做研究没什么区别。

正如承诺的那样，他被聘为博士后，不久之后，他被提升为研究人员——从字面上看，他自豪地拥有这个头衔。

“我很高兴能在那里，”Kim说。“我甚至戴着我的 IBM 徽章去餐馆，无论我走到哪里。”

在 IBM 工作期间，他学会了专注于直接影响人类日常生活的研究，以及如何应用基础知识来开发下一代产品。

他说：“IBM 真的把我培养成一名工程师，他可以识别行业中的问题，并找到创造性的解决方案来应对挑战。

生命循环

然而，金墉觉得他可以做得更多。他当时在该国领先的创新中心之一从事突破性研究，鼓励“开箱即用”的思维，并进行实验测试。但他想探索公司研究组合之外的领域，并找到一种方法，不仅将研究作为一种职业，而且作为一种激情。

“我的经验告诉我，如果你的研究成为你的爱好，你可以过上非常幸福的工程师或科学家的生活，”Kim说。“我想把这种快乐、研究和激情的循环传授给年轻人，并帮助博士生像艺术家或歌手一样发展。

2015年，他收拾行囊前往麻省理工学院，在那里他接受了机械工程系的初级教职。他来到研究所后的第一印象是什么？

“自由，”金说。“对我来说，自由思考——创作音乐、创新全新事物——是最重要的事情。麻省理工学院的人非常有才华，对所有事情都充满好奇。

自从他在校园里扎根以来，他建立了一个高效的研究小组，专注于制造超薄、可堆叠、高性能的电子材料和设备，Kim设想这些材料和设备可以用来构建像指甲一样小、像超级计算机一样强大的混合电子系统。他将该小组的许多创新归功于为他的实验室做出贡献的 40 多名学生、博士后和研究科学家。

“我希望在这里，他们可以了解到研究可以成为一门艺术，”Kim说。“特别是对学生来说，我希望他们看到，如果他们喜欢他们所做的事情，那么他们就可以成为他们想成为的任何人。