石墨烯是否會(huì)變成一種神奇的多功能元素物質(zhì)以多種姿態(tài)出現(xiàn)，并有可能解決許多獨(dú)特的問題？ 　

石墨烯是否會(huì)變成一種神奇的多功能元素物質(zhì)（有點(diǎn)像硅）以多種姿態(tài)出現(xiàn)，并有可能解決許多獨(dú)特的問題？只有時(shí)間才能證明，但現(xiàn)在的跡象是有利的。

首先，快速介紹一下石墨烯的背景。它是一層一原子厚的碳原子，以二維六邊形晶格排列。因此，石墨烯是已知最薄的材料，但卻非常堅(jiān)固（大約比鋼鐵強(qiáng)200倍）。它是熱和電的優(yōu)良導(dǎo)體，并具有有趣的光吸收能力。2004年，曼徹斯特大學(xué)的安德烈-蓋姆和康斯坦丁-諾沃塞洛夫?qū)@種材料進(jìn)行了分離和表征，他們因?qū)@種材料的研究而于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

現(xiàn)在，兩項(xiàng)不相關(guān)的研究工作正在展示它如何在能量收集方面發(fā)揮作用。首先，阿肯色大學(xué)的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功開發(fā)出一種能夠捕捉石墨烯的熱運(yùn)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為電流的電路。從石墨烯中收集能量的想法是有爭(zhēng)議的，因?yàn)樗瘩g了傳奇物理學(xué)家理查德-費(fèi)曼（Richard Feynman）的論斷，即原子的熱運(yùn)動(dòng)其被稱為布朗運(yùn)動(dòng)，不能做功。

然而，根據(jù)物理學(xué)教授和首席研究員Paul Thibado的說法，石墨烯的熱運(yùn)動(dòng)事實(shí)上在室溫下確實(shí)能在電路中誘導(dǎo)出交流電（ac），這一成就被認(rèn)為是不可能的。他的小組用兩個(gè)二極管構(gòu)建了他們的電路，用于將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，從而使電流雙向流動(dòng)，并在電路中提供單獨(dú)的路徑，以產(chǎn)生一個(gè)脈沖直流電，在負(fù)載電阻上執(zhí)行工作（圖1）。

1. 這張帶有能量屏障圖的電路模型草圖是基于石墨烯采集原理的深層物理學(xué)的簡(jiǎn)單表現(xiàn)。（來源：阿肯色大學(xué)）

數(shù)值模擬表明，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，隨機(jī)熱力學(xué)提供的平均熱和功的速率很快趨于零。但是，功率是由負(fù)載電阻耗散的，其時(shí)間平均值正好等于熱浴提供的功率。確切的功率公式與Nyquist的噪聲功率公式相似，只是二極管電阻的變化率大大提升了輸出功率，而石墨烯的運(yùn)動(dòng)則使功率譜向低頻轉(zhuǎn)移。

在他們的安排中，石墨烯?lm被安裝在stando?s上，以便掃描隧道顯微鏡（STM）尖端可以接近它，STM尖端-樣品結(jié)被納入到所示的電路中（圖2）。樣品與地隔離，并連接到兩個(gè)二極管;尖端-樣品結(jié)作為一個(gè)可變電容器。同時(shí)監(jiān)測(cè)隧道電流、二極管1電流（D1C）和二極管2電流（D2C）。

2. 圖示為當(dāng)針尖穿過電子時(shí)獲得的掃描隧道顯微鏡（STM）數(shù)據(jù)集。（a） 顯示STM尖端、樣品、偏置電壓、電流表和二極管布置的電路圖。（b） 波紋狀態(tài)下的石墨烯片的草圖和石墨烯形狀變化的說明。（c）石墨烯的高度波動(dòng)。（d）獨(dú)立石墨烯和剛性石墨烯的STM隧道電流與時(shí)間的關(guān)系。（e） 獨(dú)立和剛性石墨烯的隧道電流與設(shè)定點(diǎn)電流的標(biāo)準(zhǔn)差。（來源：阿肯色大學(xué)）

這種二極管排列方式用于能量收集，但在這里，它用于將石墨烯誘導(dǎo)的電流與為電隔離STM供電的電池隔離。在2納米或更小的尖端采樣距離，隧道電子主導(dǎo)電流；對(duì)于更大的距離，位移電流占主導(dǎo)地位。

顯然，這項(xiàng)工作涉及到激烈而深?yuàn)W的物理學(xué)知識(shí)，他們發(fā)表在APS物理評(píng)論E上的論文 “Fluctuation-induced current from freestanding graphene ”中對(duì)此進(jìn)行了解釋，雖然是在付費(fèi)墻后面，但也發(fā)布在這里（這里還有一個(gè)簡(jiǎn)短的簡(jiǎn)單視頻動(dòng)畫）。

坦率地說，盡管發(fā)表的論文中有完整的分析，但這里還是需要一些信仰的飛躍，尤其是Thibado教授還用 “基于石墨烯的能量收集電路可以并入芯片，為小型設(shè)備或傳感器提供清潔的、無限的、低電壓的電源 ”等樂觀的說法來宣傳他們的研究。但你永遠(yuǎn)不知道--在物理學(xué)和技術(shù)進(jìn)步方面，應(yīng)該 “永遠(yuǎn)不要說永遠(yuǎn)”。

麻省理工學(xué)院的石墨烯發(fā)現(xiàn)

在一個(gè)不相關(guān)的發(fā)展中，麻省理工學(xué)院（MIT）材料研究實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)構(gòu)思出一種方法來收集從微波到太赫茲波段的射頻能量。分析研究了石墨烯的物理學(xué)和量子力學(xué)行為的假定限制，以及克服這些限制的方法。他們發(fā)現(xiàn)，通過將石墨烯與另一種材料--在這種情況下，氮化硼--結(jié)合起來，石墨烯中的電子應(yīng)該會(huì)向一個(gè)共同的方向傾斜運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電流流。

雖然之前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⑻掌澆ㄞD(zhuǎn)化為直流電，但它們只能在超低溫下進(jìn)行，這顯然限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。相反，首席研究員Hiroki Isobe開始了一項(xiàng)研究，看看是否可以在量子力學(xué)層面上誘導(dǎo)材料自身的電子向一個(gè)方向流動(dòng)，以便將傳入的電磁能波引導(dǎo)成直流電流。所用的材料必須沒有雜質(zhì)，這樣其中的電子才會(huì)流動(dòng)，而不會(huì)散落到材料的不規(guī)則處，而石墨烯是一種有吸引力的材料。

但這只是起點(diǎn)。要引導(dǎo)石墨烯的電子向一個(gè)方向流動(dòng)，需要 “打破 ”材料的固有對(duì)稱性。這樣一來，電子在各個(gè)方向上都會(huì)感受到同等的力量，也就是說，任何傳入的能量都會(huì)隨機(jī)散射。其他人曾對(duì)石墨烯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將其置于氮化硼層之上，這樣石墨烯電子之間的力就失去了平衡--靠近硼的電子感受到一種力，而靠近氮的電子則感受到不同的拉力。

這種 “偏斜散射 ”可以產(chǎn)生有用的電流流。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想的太赫茲整流器由一小塊石墨烯方塊組成，位于氮化硼層之上。它將被夾在天線內(nèi)，收集和集中環(huán)境太赫茲輻射，將其信號(hào)提升到足以將其轉(zhuǎn)換為直流電流（圖3）。

3. 基于二維材料的整流器示意圖。在這種設(shè)置中，整流后的直流電是橫向檢測(cè)入射電場(chǎng)的，這對(duì)降低噪聲是有利的。天線連接在兩側(cè)，可以收集更多的輻射功率，提高靈敏度。（來源：麻省理工學(xué)院）

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為他們新的 “高頻整流 ”設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專利，在他們的Science Advances論文 “High-frequency rectification via chiral Bloch electrons ”以及補(bǔ)充材料中都有描述。讀了這兩篇論文后才發(fā)現(xiàn)，這只是一個(gè)極其深入的理論分析（我是說深入，因?yàn)槟Ｐ汀⒎匠?、偏?dǎo)數(shù)和積分的數(shù)量是驚人的）。還沒有真正制造出任何設(shè)備。但不用擔(dān)心--研究人員正在與麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家合作，根據(jù)他們的見解和分析開發(fā)一種物理裝置。
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