石墨烯发现到鸟粪掺杂石墨烯,未来将会如何？

引言

麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero教授（曹原的导师）团队在《Nature》上发表了题为《The Discovery That Stuck—20 Years of Graphene》的观点论文。这篇文章回顾了石墨烯发现的二十年历程，强调了这一材料在基础科学和应用技术领域的广泛影响。文中提到，石墨烯的独特性质，如超强的导电性和力学强度，使其成为许多新兴技术的基础。此外，研究者们探索了扭曲双层石墨烯等新型异质结构的可能性，揭示了二维材料在量子现象和材料工程中的潜力。通过回顾过去的成就，Jarillo-Herrero教授的团队展望了未来的研究方向，强调了石墨烯及其衍生材料在纳米技术和电子器件中的应用前景。

研究内容

在物理学的某个定理中，量子波动被认为会阻碍晶体（或其他任何）有序结构在二维中存在。想象一下，当评审们第一次阅读一篇报告，称原子薄膜的石墨不仅存在，而且在室温下是稳定的，且电导率非常高时，他们那困惑的面孔。究竟是什么阻止这些碳原子层融化或以碎片形式飞走呢？现实生活显然并不总是遵循数学定理的假设。显然，评审们也同意这一观点，因此，20年前，《科学》期刊发表了Novoselov等人撰写的论文，首次证明了“石墨烯”层的存在。

图1 |二维奇迹材料。a. 2004年，Novoselov等人发现他们可以使用胶带从石墨晶体上剥离碳原子层，以隔离称为石墨烯的材料，基本上是二维的。他们还发现，石墨烯是一种优秀的电导体。b.自那时以来，这个团队和其他研究人员揭示了石墨烯的更多惊人特性。例如，当两层石墨烯堆叠在一起并旋转时，它们形成一种“扭转双层”，与单层不同，它可以是电绝缘体或超导体（电阻为零）。

论文的突破性

在《电场效应在原子薄碳薄膜中的研究》一文中，Novoselov等人从多个方面突破了科学的边界。首先，作者用一种聪明、富有创意且令人惊讶的简单方法来分离单层碳原子（石墨烯）或少层石墨烯（FLG）。他们利用普通的胶带，从石墨晶体上剥离原子层，然后将胶带压在基底上（如图1a所示）。令人惊讶的是，当研究人员移除胶带时，发现基底上布满了薄薄的石墨片，其中包括石墨烯和FLG。至今，许多研究小组（包括我自己的团队）仍然使用几乎相同的方法来分离这一材料。

第二个突破是，石墨烯和FLG薄片可以通过简单的光学显微镜用肉眼轻松观察到。这使得作者能够迅速可视化机械剥离实验的结果，并通过测量光学对比度来表征薄片的厚度。至今，光学显微镜仍然是观察石墨烯（以及后来发现的许多“二维材料”）的最常用方法。这种技术经过了一些改进，例如人工智能增强的显微镜，可以以高度准确和自动化的方式识别和计数材料的层数。

第三，FLG薄膜在环境条件下稳定，尤其是在标准纳米加工过程中。这意味着它们不受电极连接过程的影响，从而使得Novoselov等人得以展示FLG薄膜具有良好的电导性。第四，石墨作为一种半金属材料，其载流子密度较典型金属要小，这使得作者能够构建电阻可以通过改变施加在附近金属电极上的电压而变化几个数量级的设备。

最后，当Novoselov等人将FLG样品降温并施加大磁场时，他们注意到电阻表现出量子振荡的特性，这是一种在许多量子系统中常见的现象。这暗示这些薄片具有潜力（在随后几年中得以证明）去实现新的量子现象和器件。

新的电子行为

尽管这一突破令人惊讶，但可以说，直到次年，两篇论文的发表才真正让其影响力被充分认识，包括Novoselov和同事的一篇。这两篇论文表明，单层石墨烯中的电子表现得像是无质量粒子，以与其能量无关的恒定速度运动；在某些方面，它们更像是飞行在高能物理加速器中的粒子，而不是在晶体固体中的电子。同年，Novoselov和同事还展示了胶带剥离法可以用于分离其他几种超薄晶体薄膜。这标志着二维材料研究的正式开始，而Konstantin Novoselov和Andre Geim因此获得了2010年诺贝尔物理学奖，以表彰他们在二维材料石墨烯方面的开创性实验。

很难高估2004年论文对凝聚态物理和材料工程的影响。一项简单的指标是，它在Web of Science数据库中被引用超过50,000次，成为历史上被引用最多的物理学论文之一，这反映出全球成千上万的研究小组纷纷投身于二维材料的研究。这些研究者不仅包括物理学家，还有化学家、材料科学家、电气工程师，甚至医生。那么，是什么原因导致这一非凡的兴趣呢？部分原因在于石墨烯的特性包含许多超级性能：它是最强、最薄的材料，也是热和电的最佳导体。更重要的是，它并不是唯一的二维材料，这意味着源自Novoselov及其同事初步结果的研究方向可以广泛展开。

二维材料的大家族现在包括绝缘体、半导体、晶体磁体、晶体铁电材料（具有自发电极化特性的材料）、超导体（具有零电阻的材料）等。许多情况下，这些二维晶体的行为与它们的三维同类大相径庭，并且往往更易于“调节”（例如，通过改变层数或载流子密度）。因此，研究人员预测了许多这些二维材料的潜在科学和技术应用，其中一些应用已经开始实现：超灵敏的化学和生物传感器以及红外相机等已处于前列。

电子质量的消失

另一个二维材料的重要特性是，它们可以相互堆叠，形成“异质结构”，这在某些方面类似于用儿童乐高积木构建的结构。但乐高积木必须以对齐或直角的方式堆叠，而二维材料则没有这样的限制：它们可以在其晶格之间的任意扭转角度堆叠。这些扭曲的异质结构的属性可能与其组成层有显著不同（如图1b所示）。例如，约1度的扭曲角度可以将叠加的石墨烯片（既不是绝缘体也不是超导体）转变为一种显示绝缘和超导行为的异质结构，这得益于其电子之间的相互作用。

这个领域通常被称为“扭曲电子学”（twistronics），因为两个晶格的叠加形成了一个称为“摩尔晶格”的干涉图案，并且它已经成为二维材料研究中最活跃的领域之一。值得注意的是，在过去六年中，扭曲电子学研究人员几乎实现了所有已知的量子物质相，通常具有非常规特征。他们甚至发现了全新的量子相和效应，包括去年在扭曲的摩尔异质结构中实现的分数量子异常霍尔效应。

未来的展望

从20年前开始的旅程远未结束，二维材料的研究仍在不断增长。研究这些材料的科学家们以惊人的速度取得了关于基本物理的重要发现，这使人倍感乐观。例如，手性（或“手性”）是一种不仅影响许多物理系统行为的特性，同时在化学和生物中也起着关键作用，而这种特性可以在扭曲的异质结构中被探索和精细调节。

在技术方面，尽管我们要保持谨慎乐观，但也有理由感到乐观。生长大规模、高质量石墨烯和其他二维材料的技术正在迅速改善，工程师们也越来越愿意将这些材料纳入设备制造平台中。然而，尤其是对于石墨烯以外的材料，二维样品的质量仍需进一步提高，并且需要自动化制造具有任意扭转角度的微型异质结构的方法。这些努力将需要大量资源和物理学家、化学家和工程师的全力智慧。最终，取得的成果可能是巨大的，可能为未来几十年内整个纳米技术的发展铺平道路。

结论

综上所述，石墨烯的发现不仅改变了我们对二维材料的理解，更推动了相关科学研究的发展。随着研究的深入，我们期待看到更多新奇的现象以及更广泛的应用，为材料科学、电子技术以及其他领域带来前所未有的变革。研究者们对未来的探索将不断拓展科学的边界，推动技术的进步。