石墨烯發(fā)現(xiàn)到鳥(niǎo)糞摻雜石墨烯,未來(lái)將會(huì)如何？

引言

麻省理工學(xué)院的Pablo Jarillo-Herrero教授（曹原的導(dǎo)師）團(tuán)隊(duì)在《Nature》上發(fā)表了題為《The Discovery That Stuck—20 Years of Graphene》的觀(guān)點(diǎn)論文。這篇文章回顧了石墨烯發(fā)現(xiàn)的二十年歷程，強(qiáng)調(diào)了這一材料在基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的廣泛影響。文中提到，石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)，如超強(qiáng)的導(dǎo)電性和力學(xué)強(qiáng)度，使其成為許多新興技術(shù)的基礎(chǔ)。此外，研究者們探索了扭曲雙層石墨烯等新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可能性，揭示了二維材料在量子現(xiàn)象和材料工程中的潛力。通過(guò)回顧過(guò)去的成就，Jarillo-Herrero教授的團(tuán)隊(duì)展望了未來(lái)的研究方向，強(qiáng)調(diào)了石墨烯及其衍生材料在納米技術(shù)和電子器件中的應(yīng)用前景。

研究?jī)?nèi)容

在物理學(xué)的某個(gè)定理中，量子波動(dòng)被認(rèn)為會(huì)阻礙晶體（或其他任何）有序結(jié)構(gòu)在二維中存在。想象一下，當(dāng)評(píng)審們第一次閱讀一篇報(bào)告，稱(chēng)原子薄膜的石墨不僅存在，而且在室溫下是穩(wěn)定的，且電導(dǎo)率非常高時(shí)，他們那困惑的面孔。究竟是什么阻止這些碳原子層融化或以碎片形式飛走呢？現(xiàn)實(shí)生活顯然并不總是遵循數(shù)學(xué)定理的假設(shè)。顯然，評(píng)審們也同意這一觀(guān)點(diǎn)，因此，20年前，《科學(xué)》期刊發(fā)表了Novoselov等人撰寫(xiě)的論文，首次證明了“石墨烯”層的存在。

圖1 |二維奇跡材料。a. 2004年，Novoselov等人發(fā)現(xiàn)他們可以使用膠帶從石墨晶體上剝離碳原子層，以隔離稱(chēng)為石墨烯的材料，基本上是二維的。他們還發(fā)現(xiàn)，石墨烯是一種優(yōu)秀的電導(dǎo)體。b.自那時(shí)以來(lái)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)和其他研究人員揭示了石墨烯的更多驚人特性。例如，當(dāng)兩層石墨烯堆疊在一起并旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們形成一種“扭轉(zhuǎn)雙層”，與單層不同，它可以是電絕緣體或超導(dǎo)體（電阻為零）。

論文的突破性

在《電場(chǎng)效應(yīng)在原子薄碳薄膜中的研究》一文中，Novoselov等人從多個(gè)方面突破了科學(xué)的邊界。首先，作者用一種聰明、富有創(chuàng)意且令人驚訝的簡(jiǎn)單方法來(lái)分離單層碳原子（石墨烯）或少層石墨烯（FLG）。他們利用普通的膠帶，從石墨晶體上剝離原子層，然后將膠帶壓在基底上（如圖1a所示）。令人驚訝的是，當(dāng)研究人員移除膠帶時(shí)，發(fā)現(xiàn)基底上布滿(mǎn)了薄薄的石墨片，其中包括石墨烯和FLG。至今，許多研究小組（包括我自己的團(tuán)隊(duì)）仍然使用幾乎相同的方法來(lái)分離這一材料。

第二個(gè)突破是，石墨烯和FLG薄片可以通過(guò)簡(jiǎn)單的光學(xué)顯微鏡用肉眼輕松觀(guān)察到。這使得作者能夠迅速可視化機(jī)械剝離實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并通過(guò)測(cè)量光學(xué)對(duì)比度來(lái)表征薄片的厚度。至今，光學(xué)顯微鏡仍然是觀(guān)察石墨烯（以及后來(lái)發(fā)現(xiàn)的許多“二維材料”）的最常用方法。這種技術(shù)經(jīng)過(guò)了一些改進(jìn)，例如人工智能增強(qiáng)的顯微鏡，可以以高度準(zhǔn)確和自動(dòng)化的方式識(shí)別和計(jì)數(shù)材料的層數(shù)。

第三，F(xiàn)LG薄膜在環(huán)境條件下穩(wěn)定，尤其是在標(biāo)準(zhǔn)納米加工過(guò)程中。這意味著它們不受電極連接過(guò)程的影響，從而使得Novoselov等人得以展示FLG薄膜具有良好的電導(dǎo)性。第四，石墨作為一種半金屬材料，其載流子密度較典型金屬要小，這使得作者能夠構(gòu)建電阻可以通過(guò)改變施加在附近金屬電極上的電壓而變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)的設(shè)備。

最后，當(dāng)Novoselov等人將FLG樣品降溫并施加大磁場(chǎng)時(shí)，他們注意到電阻表現(xiàn)出量子振蕩的特性，這是一種在許多量子系統(tǒng)中常見(jiàn)的現(xiàn)象。這暗示這些薄片具有潛力（在隨后幾年中得以證明）去實(shí)現(xiàn)新的量子現(xiàn)象和器件。

新的電子行為

盡管這一突破令人驚訝，但可以說(shuō)，直到次年，兩篇論文的發(fā)表才真正讓其影響力被充分認(rèn)識(shí)，包括Novoselov和同事的一篇。這兩篇論文表明，單層石墨烯中的電子表現(xiàn)得像是無(wú)質(zhì)量粒子，以與其能量無(wú)關(guān)的恒定速度運(yùn)動(dòng)；在某些方面，它們更像是飛行在高能物理加速器中的粒子，而不是在晶體固體中的電子。同年，Novoselov和同事還展示了膠帶剝離法可以用于分離其他幾種超薄晶體薄膜。這標(biāo)志著二維材料研究的正式開(kāi)始，而Konstantin Novoselov和Andre Geim因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诙S材料石墨烯方面的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。

很難高估2004年論文對(duì)凝聚態(tài)物理和材料工程的影響。一項(xiàng)簡(jiǎn)單的指標(biāo)是，它在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中被引用超過(guò)50,000次，成為歷史上被引用最多的物理學(xué)論文之一，這反映出全球成千上萬(wàn)的研究小組紛紛投身于二維材料的研究。這些研究者不僅包括物理學(xué)家，還有化學(xué)家、材料科學(xué)家、電氣工程師，甚至醫(yī)生。那么，是什么原因?qū)е逻@一非凡的興趣呢？部分原因在于石墨烯的特性包含許多超級(jí)性能：它是最強(qiáng)、最薄的材料，也是熱和電的最佳導(dǎo)體。更重要的是，它并不是唯一的二維材料，這意味著源自Novoselov及其同事初步結(jié)果的研究方向可以廣泛展開(kāi)。

二維材料的大家族現(xiàn)在包括絕緣體、半導(dǎo)體、晶體磁體、晶體鐵電材料（具有自發(fā)電極化特性的材料）、超導(dǎo)體（具有零電阻的材料）等。許多情況下，這些二維晶體的行為與它們的三維同類(lèi)大相徑庭，并且往往更易于“調(diào)節(jié)”（例如，通過(guò)改變層數(shù)或載流子密度）。因此，研究人員預(yù)測(cè)了許多這些二維材料的潛在科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用，其中一些應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)：超靈敏的化學(xué)和生物傳感器以及紅外相機(jī)等已處于前列。

電子質(zhì)量的消失

另一個(gè)二維材料的重要特性是，它們可以相互堆疊，形成“異質(zhì)結(jié)構(gòu)”，這在某些方面類(lèi)似于用兒童樂(lè)高積木構(gòu)建的結(jié)構(gòu)。但樂(lè)高積木必須以對(duì)齊或直角的方式堆疊，而二維材料則沒(méi)有這樣的限制：它們可以在其晶格之間的任意扭轉(zhuǎn)角度堆疊。這些扭曲的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的屬性可能與其組成層有顯著不同（如圖1b所示）。例如，約1度的扭曲角度可以將疊加的石墨烯片（既不是絕緣體也不是超導(dǎo)體）轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N顯示絕緣和超導(dǎo)行為的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這得益于其電子之間的相互作用。

這個(gè)領(lǐng)域通常被稱(chēng)為“扭曲電子學(xué)”（twistronics），因?yàn)閮蓚€(gè)晶格的疊加形成了一個(gè)稱(chēng)為“摩爾晶格”的干涉圖案，并且它已經(jīng)成為二維材料研究中最活躍的領(lǐng)域之一。值得注意的是，在過(guò)去六年中，扭曲電子學(xué)研究人員幾乎實(shí)現(xiàn)了所有已知的量子物質(zhì)相，通常具有非常規(guī)特征。他們甚至發(fā)現(xiàn)了全新的量子相和效應(yīng)，包括去年在扭曲的摩爾異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的分?jǐn)?shù)量子異?；魻栃?yīng)。

未來(lái)的展望

從20年前開(kāi)始的旅程遠(yuǎn)未結(jié)束，二維材料的研究仍在不斷增長(zhǎng)。研究這些材料的科學(xué)家們以驚人的速度取得了關(guān)于基本物理的重要發(fā)現(xiàn)，這使人倍感樂(lè)觀(guān)。例如，手性（或“手性”）是一種不僅影響許多物理系統(tǒng)行為的特性，同時(shí)在化學(xué)和生物中也起著關(guān)鍵作用，而這種特性可以在扭曲的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中被探索和精細(xì)調(diào)節(jié)。

在技術(shù)方面，盡管我們要保持謹(jǐn)慎樂(lè)觀(guān)，但也有理由感到樂(lè)觀(guān)。生長(zhǎng)大規(guī)模、高質(zhì)量石墨烯和其他二維材料的技術(shù)正在迅速改善，工程師們也越來(lái)越愿意將這些材料納入設(shè)備制造平臺(tái)中。然而，尤其是對(duì)于石墨烯以外的材料，二維樣品的質(zhì)量仍需進(jìn)一步提高，并且需要自動(dòng)化制造具有任意扭轉(zhuǎn)角度的微型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。這些努力將需要大量資源和物理學(xué)家、化學(xué)家和工程師的全力智慧。最終，取得的成果可能是巨大的，可能為未來(lái)幾十年內(nèi)整個(gè)納米技術(shù)的發(fā)展鋪平道路。

結(jié)論

綜上所述，石墨烯的發(fā)現(xiàn)不僅改變了我們對(duì)二維材料的理解，更推動(dòng)了相關(guān)科學(xué)研究的發(fā)展。隨著研究的深入，我們期待看到更多新奇的現(xiàn)象以及更廣泛的應(yīng)用，為材料科學(xué)、電子技術(shù)以及其他領(lǐng)域帶來(lái)前所未有的變革。研究者們對(duì)未來(lái)的探索將不斷拓展科學(xué)的邊界，推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步。