2023年10月12日，北京大学物理学院学术论坛第二十八讲在思源多功能厅成功举办。本次论坛特别邀请美国阿贡国家实验室格雷戈里·布莱恩·斯蒂文森教授（Gregory Brian Stephenson），为大家带来了一场题为“35 Years of In Situ X-ray Scattering Studies of Crystal Surfaces During Growth”的学术报告。此次活动由北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、宽禁带半导体研究中心鞠光旭研究员主持。斯蒂文森教授的开场白提到2023年不仅是北京大学物理学科建立110周年，也是晶体X射线衍射发现110周年。

鞠光旭主持并介绍主讲嘉宾

X射线，其波长位于原子级尺度，已被广泛应用于晶体和纳米材料的结构表征和物相测量。特别是近年来，随着同步辐射技术的进步，高质量、高通量的相干X射线开始被用于半导体材料的结构表征，以及探究原子尺度的动力学特征。斯蒂文森和他的研究团队在阿贡国家实验室的先进光子源（Advanced Photon Source）进行了材料合成表面过程的实时原位观测。本次讲座，他不仅深入探讨了第四代相干X射线技术在材料合成动态观察中的潜力和应用，还分享了他在该领域的最新研究成果和独到见解。

斯蒂文森讲述晶体X射线衍射发展历史

X射线因其优良的穿透性和对电磁场、等离子体等复杂环境的稳定性，已经成为材料生长过程原位定量动力学描述的有力手段。X射线表面散射技术是研究原子级表面结构的核心方法，为深入探索微观晶体生长机制提供了实时原位的观察手段。斯蒂文森及其团队在此领域有着卓越的贡献，成功研发了多种外延生长系统与X射线的集成技术，包括金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、脉冲激光沉积（PLD）和射频磁控溅射（Sputtering）。他的报告中重点介绍了三维晶体的X射线倒异空间特性以及晶体表面的原子级生长动力学机制。对常见的二维薄膜材料，X射线散射强度在垂直于样品表面的方向上呈现出杆状分布，这种特征称为“晶体截断杆”（CTR）。CTR强度在“反布拉格”位点上对表面形态的微小变化极为敏感，使其在不同生长条件下的表面结构监测中表现出色。尤其是，这一技术已被广泛地应用于GaN的MOCVD生长过程检测，为制备高质量的GaN基半导体器件提供了关键支持。

斯蒂文森回答台下师生的提问

伴随着第四代同步辐射光源的先进技术，材料合成的原位X射线表征正经历一场技术革命。借助于X射线光子关联光谱（XPCS）技术，斯蒂文森团队成功获得了时间连续和高空间分辨率的X射线散斑图像。通过这项技术，团队揭示了非极性面GaN的二维原子岛的Layer-by-layer生长动力学，并发现了一个有趣的现象：连续的晶层上原子岛的排布存在明显关联，表现为一种“记忆效应”。当结合实验数据和蒙特卡洛模拟分析时，进一步发现新形成的晶层原子岛首先在已有岛的中心位置生长，而后加入的原子则更容易在这些岛的周围沉积。

最后，斯蒂文森深入地讨论了同步辐射相干X射线在原位材料合成监测中的前景，尤其重点提及了相干X射线衍射和成像技术的核心作用。他预期，随着明年夏天APS全面升级为第四代相干X光源，这些前沿的原位X射线技术将使我们能够更为精确地解析晶体生长中的缺陷行为、表面的重构机制、元素掺杂以及多元合金材料的形成过程。

报告结束后，参会师生围绕相关领域积极提问交流，斯蒂文森进行了详细解答。

论坛合影

本期论坛线上、线下同步进行。通过蔻享学术平台观看直播的观众近3000人次。

回放链接：https://www.koushare.com/video/videodetail/68321

报告人简介：

G. Brian Stephenson教授持有麻省理工学院学士学位和斯坦福大学的博士学位，并因其在物理学领域的卓越贡献于1991年被授予美国物理学会会士荣誉。自1995年以来，Stephenson教授在阿贡国家实验室领导同步辐射材料研究小组，并在2011至2014年间担任先进光子源( Advanced Photon Sources )的负责人。在加入阿贡之前，他曾在纽约的IBM研究中心担任团队负责人。因其在硬X射线纳米探针领域的突出贡献，他在2009年荣获了R&D 100奖。

北京大学物理学院学术论坛简介：

北京大学物理学院学术论坛创办于2020年9月，邀请国内外高校和研究机构高层次科技创新领军学者就物理学及相关领域的基础前沿探索、关键技术突破和热点问题等做学术演讲，旨在推进高质量学术交流，促进学科交叉融合和开拓新兴特色方向研究，培养具有科学精神、全球视野、创新能力、批判性思维的优秀青年人才。