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【兆恒機械】發(fā)現(xiàn)石墨烯的過程很曲折,卻又很簡單。

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  • 添加日期:2021年04月27日

縱觀諾貝爾獎的歷史,可以發(fā)現(xiàn)很少有如此“年輕”的研究成果。歷年來,只要是自然科學(xué)類的研究,從取得成果到獲得諾貝爾獎,大多數(shù)要間隔幾十年之久。比如試管嬰兒技術(shù)早在1976年就出現(xiàn)了,然而直到有300多萬的試管嬰兒誕生后,這項成果才獲得了2010年度的諾貝爾生物與醫(yī)學(xué)獎。那么近十年里來物理學(xué)獎的主角“石墨烯”是怎樣被發(fā)現(xiàn)的,又是憑借什么得到了諾獎評委的青睞呢?

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得來全不費工夫

發(fā)現(xiàn)石墨烯的過程很曲折,卻又很簡單。

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料,是碳的二維結(jié)構(gòu)。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米(1納米=10億分之一米),把20萬片薄膜疊加到一起,也只有一根頭發(fā)絲那么厚。早在20世紀(jì)40年代,就有科學(xué)家對類似石墨烯的結(jié)構(gòu)進行過理論研究,但很長的一段時間里,他們用盡了各種方法,卻始終沒能成功地獲得單層石墨烯。由此很多人認(rèn)為,在有限的溫度下這樣的二維材料是不可能穩(wěn)定存在的。

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當(dāng)然,也有另外一些人堅持自己的觀點,并用實際行動來證明。哥倫比亞的年輕教授菲利普·金(P. Kim)帶領(lǐng)的科研小組一直在嘗試剝離石墨烯,用的方法看上去相當(dāng)“高科技”。他們用AFM(原子力顯微鏡)的針尖掃過石墨頂端,企圖依靠針尖的力量帶下來幾片石墨烯,但仍以失敗而告終。

相對來說,海姆和諾沃謝洛夫的方法就太“簡陋”了。據(jù)海姆介紹,這個瘋狂實驗最初是交給一位新來的中國博士生的。他們買了一大塊高定向裂解石墨,讓這位博士生在一臺很好的拋光機上研磨,越薄越好。三個星期后,博士生跑來說成功了。但實際上,獲得的石墨片仍然厚達10微米,相當(dāng)于1000層石墨烯。海姆問:“你能否再研磨得薄一點?”博士生說,需要另一塊石墨,這得花300美元。海姆沒有再買一塊石墨,他和他的助手諾沃謝洛夫決定用透明膠帶來試試。之所以想到透明膠帶,是因為研究小組當(dāng)時引進了一位技術(shù)員來搭建低溫掃描隧道顯微鏡,而這位技術(shù)員清潔石墨樣品表面的方法就是用透明膠帶把石墨表層粘掉。這提醒了他們,如果不斷地粘起、撕開,就可以得到更薄的薄膜。

反復(fù)粘上10到20次之后,薄片最終產(chǎn)生了一些單層石墨烯。海姆和諾沃謝洛夫把剝離下來的薄片放在氧化硅基板上,光的干涉效應(yīng)使薄片在顯微鏡下呈現(xiàn)彩色條紋,就像油膜在水面上產(chǎn)生的效果。利用這種效應(yīng),他們觀察到了單層石墨烯。就這樣,第一種二維晶體材料正式出現(xiàn)了。

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2004年10月,美國《科學(xué)》雜志發(fā)表了他們的研究成果,引發(fā)了科學(xué)界對石墨烯的研究熱潮。對石墨烯了解得越多,人們就越驚訝于它的各種特性。

二維的碳

碳是神奇的元素,也是所有地球生命的基礎(chǔ)。純碳能以截然不同的形式存在,可以是堅硬的鉆石,也可以是柔軟的石墨,還可以是C60那樣的富勒烯。而石墨烯,則是碳的另一張奇妙臉孔。想象有那么一張單層的網(wǎng),每一個網(wǎng)格都是一個完美的六邊形,每一個繩結(jié)都是一個碳原子。這張網(wǎng)只有一個原子那么厚,可以說沒有高度、只有長寬,是二維而不是三維的。這就是石墨烯,它是二維的碳、人類已知的最薄材料,一種正為物理學(xué)和材料學(xué)帶來許多新發(fā)現(xiàn)的東西。

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神奇的特性

石墨烯打開了基礎(chǔ)物理和應(yīng)用物理的一扇大門,對物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義,它使一些此前只能紙上談兵的量子效應(yīng)可以通過實驗來驗證,例如電子無視障礙、實現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的,是它那許多極端的性質(zhì)。它是室溫下電的最佳導(dǎo)體,還是很好的導(dǎo)熱體并且透明易彎曲。石墨烯既是最薄的材料,也是人類已知的強度最高的材料,它的斷裂強度比最好的鋼材還要高出百倍。同時它又有很好的彈性,拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。如果用一塊面積為1平方米的石墨烯,做成一個可以承受一只貓的重量的吊床,那么這個吊床本身的重量還不到1毫克,只相當(dāng)于貓的一根胡須。

石墨烯幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是氦原子——最小的氣體原子也無法穿透它。

挽救摩爾定律

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根據(jù)半導(dǎo)體業(yè)著名的摩爾定律,芯片的集成度每18個月至2年提高一倍,即加工線寬縮小一半。但硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬,當(dāng)硅材料尺寸小于10納米時,它的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化,用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差。提出該定律的摩爾本人公開表示,10年后摩爾定律將很難繼續(xù)有效。

石墨烯的出現(xiàn)或?qū)⒘钅柖傻靡匝永m(xù)。石墨烯可以被刻成尺寸不到1個分子大小的單電子晶體管。此外,石墨烯高度穩(wěn)定,即使被切成1納米寬的元件,導(dǎo)電性也很好。電子可在石墨烯結(jié)構(gòu)中以1/300光速的超高速度運行,因此它被視為制造下一代芯片的理想材料。使用石墨烯制造的處理器頻率有望達到1THz以上,是目前硅芯片的100到1000倍。目前研究人員已開發(fā)出10納米級的可實際運行的石墨烯晶體管,并且開始研制由單原子組成的晶體管。

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)也已經(jīng)成功制成了100毫米的純石墨烯晶圓(制作硅半導(dǎo)體集成電路所用的圓形硅晶片)。制造中,他們使用硅升華技術(shù),去除了碳化硅晶圓中所有的硅,僅留下碳原子組成的石墨烯結(jié)構(gòu)。該晶圓中包含的是石墨烯組成的場效應(yīng)管元件,研究人員近期就會對其性能進行測試。下一步,他們還計劃改進結(jié)構(gòu),提升電子在石墨烯中的運行速度,使其接近1/300光速的理論極限。

而IBM公司則在賓夕法尼亞州立大學(xué)發(fā)布100毫米石墨烯晶圓的第二天,在《科學(xué)》雜志上展示了迄今為止頻率最高的射頻石墨烯晶體管,速度可達到100Ghz(即每秒1000億次),而此前的最好成績是40Ghz。 據(jù)了解,如此高的頻率是在晶圓尺度外延生長的石墨烯上獲得的,所使用的處理工藝與目前廣泛應(yīng)用的硅設(shè)備制造技術(shù)也是兼容的。

也許,在不遠(yuǎn)的將來,我們會在計算機上看到石墨烯纖薄卻又強悍的身影。

建造太空電梯

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法國皇帝拿破侖曾經(jīng)說過:“筆比劍更有威力?!比欢?00年前說這話的時候絕對不會想到,人類使用的普通鉛筆中竟然包含著地球上強度最高的物質(zhì)!石墨烯,這種比鉆石還強硬的物質(zhì),它的強度比世界上最好的鋼鐵還高100倍,并且原料是如此豐富。

它不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料,制造出超堅韌的防彈衣,甚至能用來打造3.7萬公里長的太空電梯,讓科學(xué)家的夢想成為現(xiàn)實。

人類通過“太空電梯”進入太空,所花的成本將比通過火箭升入太空便宜很多。制造“太空電梯”的最大障礙之一,就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長達3.7萬公里并且足夠強韌的纜線。為了激勵科學(xué)家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅韌材料,美國NASA此前還發(fā)出了400萬美元的懸賞。石墨烯材料已被證實完全適合用來制造太空電梯纜線。

廣泛的應(yīng)用前景

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石墨烯可用于制造透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。在塑料里摻入百分之一的石墨烯,就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性;加入千分之一的石墨烯,能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強韌的新型材料,用于制造汽車、飛機和衛(wèi)星。由于具備完美結(jié)構(gòu),石墨烯還能用來制造超靈敏的感應(yīng)器,即使是最輕微的污染也能察覺。目前,IBM公司已經(jīng)制作出一種高頻石墨烯晶體管,韓國三星公司的研究人員也已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。

在能源領(lǐng)域,石墨烯還可以用作電極材料。石墨烯是理論上最薄的材料,可用作透明導(dǎo)電膜的制造。石墨烯材料光的透過率在可見波段大于97%,導(dǎo)電性能也非常好,可以與稀有且昂貴的氧化銦錫(ITO)相競爭,而氧化銦錫普遍用于有機LED(OLED)顯示器透明電極中。

神奇的石墨烯,隨著人們對它的認(rèn)識越來越深入,各種應(yīng)用越來越成熟,將越來越多地出現(xiàn)在我們的身邊。石墨烯,這種二維的碳到底會給人類世界帶來什么樣的改變?讓我們拭目以待。