周濟

清華大學材料科學與工程學院教授，教育部長江特聘教授，國家傑出青年基金獲得者。1983年畢業於吉林大學電子科學系，1986年在中國科學院長春物理研究所獲理學碩士學位，1991年在北京大學化學系獲理學博士學位。現任新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室副主任，精細陶瓷北京市重點實驗室學術委員會主任。中國電子學會元件分會主任委員，中國儀錶材料學會功能材料分會副理事長、中國電子元件行業協會科學技術委員會副主任,《電子元件與材料》編委會主任，Review on Nanoscience & Nanotechnology副主編。

（1）超材料（Metamaterials）：介質基及本徵型超材料、基於超構材料設計思想的高性能功能材料、超構材料中的新物理效應和新功能；

（2）信息功能材料與元件：功能陶瓷材料、光子晶體、納米光電材料、新型無源電子元件及無源集成技術。

他是一系列新型電磁介質材料的發明人，這些發明曾為我國電子元件行業的發展提供了核心技術……

他提出了天然材料與“超材料”（metamaterials）融合的思想，為材料設計提供了新的思路……

他，就是清華大學材料科學與工程系長江特聘教授周濟。

談起多年來從事材料研究的體會，周濟感觸最深的是：“學科交叉是創新的重要源頭”。

“跨學科的背景使我很受益”

隨著現代科技的不斷發展，科學研究越來越走向多學科綜合化，單一的學科研究已經不能滿足人類科技發展的需要。很多科研工作者開始有意識地向知識的多學科拓展，而周濟在讀書時就已經開始了多學科交叉學習。本科學電子，碩士學物理，博士學化學，之後轉戰材料領域至今。

這樣的學習經歷不免讓人覺得很傳奇，問及箇中原因，周濟的回答顯得有些輕描淡寫：“之所以從電子學轉向物理學，是因為當時覺得所學的半導體在國內缺乏好的條件；而後來搞固體物理，發現研究結果往往與所研究樣品的製備關係非常大，為了能夠自己製備樣品，在讀博士時選擇了化學。博士畢業后，發現自己搞物理、搞化學、搞電子都不是科班的，於是索性轉到了材料領域。”

1991年，周濟從北京大學化學系獲得博士學位後來到清華大學材料系，開始了他的材料科學生涯。提起當年引領他進入材料領域的兩位恩師——李龍土院士和張孝文校長，周濟充滿了感激之情：“至關重要的一步，是在他們的指導下邁開的”。

雖說有師傅領進門，但修行在個人。材料科學是一門交叉性極強的學科，一方面，有物理學和化學作為本學科的兩大基礎；而另一方面又和應用息息相關。“跨學科的背景使我很受益”。周濟在物理學、化學和電子學三個學科中打下了堅實的基礎，有了這些深厚的“物資儲備”，再去研究信息功能材料就再合適不過了。

博學而精取，厚積而薄發。跨學科的背景使他在近20年的材料研究中逐漸地形成了自己的研究特色：以獨特的視角和思維方式審視問題，在學科交叉領域開拓研究前沿。近年來，周濟先後獲得國家技術發明獎二等獎、教育部科學技術獎一等獎等獎勵，在Materials Today、Physical Review Letters、Advanced Materials等知名學術期刊上發表學術論文200餘篇，獲得發明專利20餘項。

材料創新引領電子信息產業發展

無源電子元件是電子信息技術的重要基礎。中國是電子元件大國，但不是強國，雖然多種電子元件產量都在世界上名列前茅，但在產值和產品結構上遠遠落後於美國、日本等發達國家。材料問題往往是電子元件的核心問題，20世紀90年代中期從海外學成歸來的周濟，在這裡找到了實現他的科學強國夢的切入點。

在三大類無源電子元件中，電感類元件因結構和材料相對複雜，片式化進程一直比較緩慢，其關鍵技術是具有低燒成溫度的軟磁鐵氧體材料。相當長的一段時期這種材料技術被國外大公司壟斷，剛剛起步的我國在片式電感產業方面步履維艱。

面對國家高技術產業發展的重大需求，周濟在李龍土院士的大力支持下，在國內率先開展了片式電感器材料的研究。提出了利用納米燒結動力學原理降低鐵氧體燒結溫度，和利用平面六角鐵氧體提高材料應用頻率兩個學術思想，並和同事們一道發展出了新穎的技術路線，解決了鐵氧體材料低溫燒結與高性能難以兼顧的技術難題，發明了三類性能遠遠高於國外同期同類產品的新型低燒鐵氧體材料，拓展了片式電感類元件的感量、頻率和用途空間。這一成果不僅打破了國外大公司的壟斷和封鎖，還形成了我國在片式元件高端材料方面的技術優勢，促成了清華同方片式電感器生產基地的建立，被業界評價為：“標誌著我國新生的片式電感產業步入了自主發展的階段”。該成果獲得了2005年度國家技術發明獎二等獎等獎勵。

回想起那段日子，留給周濟印象最深的就是兩個經驗：一是學科交叉，把納米化學動力學的原理應用到了陶瓷燒結溫度的降低；二是要敢於打破常規，嘗試別人認為不可能實現的目標。

尋找無源元件的“摩爾定律”

當代信息技術的迅猛發展主要歸功於以“摩爾定律”為標誌的半導體有源器件集成技術的不斷突破。然而，作為電子信息系統中另一組成部分無源元件，則一直以分立形式使用，構成了制約電子信息技術發展的一個瓶頸。近年來出現的低溫共燒陶瓷技術（LTCC）使得無源電子元件的集成成為可能。周濟課題組取得的另一項有影響的工作就是為LTCC技術提供了一大類的新型材料。

低介電常數LTCC材料在應用中最重要，難度也最大。由於LTCC技術對材料工藝特性和物理化學性質要求非常嚴格，真正有實用價值的只有以Ca-B-Si氧化物為主配方的材料系統，被美國Ferro公司、杜邦公司和德國賀利氏公司的專利覆蓋。由於介電常數、介電損耗和燒結溫度的矛盾，這類基方材料難以過摻雜改性實現系列化。

周濟從材料結構調製的基本原理出發，提出了通過氟取代對陶瓷中硅氧四面體結構來同時降低材料的介電常數、介電損耗和燒結溫度的思想。在這一思想的指導下，發展出了以硅鋁氟氧化物微晶玻璃為主成分的LTCC基方材料，實現了低介電常數LTCC材料的系列化。而他這一思想更為深遠的意義則在於，“利用這個基本配方系統，可以很容易的按照要求設計製備出各種各樣的LTCC材料”。

“這個材料完全是預先設計的，實驗證明了理論預期，這和一般陶瓷材料的研究開發過程很不相同。”周濟說，“設計思路來源於半導體技術中用的低介氟氧化物薄膜。在這類材料中，氟引入硅氧四面體結構中可降低材料的介電常數和介電損耗，在理論上已經很清楚了。另一方面，從固體化學原理分析，氟的引入材料體系可以降低材料的燒結溫度，這樣就可以獲得一箭雙鵰的效果。”

融合“超材料”與天然材料

20世紀60年代，前蘇聯物理學家韋謝拉戈提出，如果有一種材料同時具有負的介電常數和負的磁導率，這種物質將能夠顛覆光學世界，它能夠使光波看起來如同倒流一般，並且在許多方面表現出有違常理的行為。直到20世紀90年代中後期，英國科學家潘德瑞利用“超材料”的思想，提出了通過人工結構實現這種材料的方案，21世紀初被美國科學家史密斯等人從實驗上證實，在科學界引起了強烈震動。而在此之前，另外一類“超材料” ——光子晶體卻已廣受關注，人們期待這類材料能夠在不久的將來成為光信息時代的半導體。

“超材料”指的是一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。“嚴格地講，超材料不是材料，因為它們的性質不來源於材料而來源於其中的人工結構。”周濟強調說。在他的課題組進入這個領域之前，這個領域的研究者基本上都是物理學家和電子學家。“而我們做的工作是把功能材料引入到‘超材料’當中，實現兩者的融合”。

2000年，周濟率先提出了基於鐵電體的光子晶體，實現了光子晶體帶隙的可調。這一方案後來被富士通公司所採納，推出了首例可實用的可調帶隙光子晶體器件。

近年來，周濟致力於在天然材料中尋找超常的電磁特性，而這正是韋謝拉戈提出他的理論時的最初夢想。2008年10月，在西班牙召開的第二屆國際超材料大會上，周濟應邀作特邀報告，而坐在台下的已近耋耄之年的韋謝拉戈對他的工作表現出了異常的興趣。“從20世紀60年代到90年代，對超常電磁介質的研究文獻幾乎是空白。這可能有兩個方面的原因：一方面，當時的研究者不認為天然材料具有超常電磁特性，韋謝拉戈的思想純屬理論上的虛構；另一方面可能是在現有材料中尋找超常電磁特性難度的確非常大”。但無論如何，周濟課題組近年來的研究已經證明利用天然材料能夠實現一些“超材料”的性能。

近年來，周濟課題組先後在理論和實驗上發現了一些天然材料中的超常電磁特性，他們分別在利用鐵電體、鐵氧體、高介電陶瓷顆粒、液晶、極性晶體等多種材料中發現了負介電常數、負磁導率和負折射行為等超常行為，在國際知名學術刊物上發表了一系列學術論文。“我們工作的意義之一是改變了‘從天然材料中無法獲得超常電磁性質’的觀念”。

國家技術發明獎二等獎（ 2005 ）、教育部科學技術獎一等獎（ 2003 ）、中國電子學會電子信息科學技術獎一等獎（2008）、國家傑出青年基金（2004）、教育部長江學者特聘教授（2007）、中國科協“全國優秀科技工作者”（2010）