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    28—石墨烯的故事(張遠波)

     發布時間:2012-07-21      訪問次數:4723


    石墨烯的故事

     

    2012522在復旦大學第47屆科學報告會暨學術文化周上的演講

    張遠波,物理系教授

      

          很榮幸能有這個機會跟大家面對面交流。今天我想和在座的各位來分享一個故事,故事的主角是一種新的材料:石墨烯。而我有幸從一開始就參與了對它的研究,這個故事也是我的一個親身經歷。

          在講這個故事之前我想提到的是,大家在上大學物理的時候可能感覺它是一個非常完備的體系,整體的構架已經搭建完了,剩下的只是一些細枝末節的東西。至少我當初在學物理的時候感覺是這樣。但是我后來發現實際做物理研究的時候完全不是如此。許多新的東西在等著我們去發現;在探索的過程中,很多想法的出發點可能都是錯誤的,整個過程充滿曲折,激動人心。 

     

    石墨烯是由一層碳原子組成的蜂巢形狀的二維晶格,如下圖所示:  

     

    它的出現對基礎物理中我們對二維電子體系的理解乃至對生活中實際的應用都有巨大的意義,這一點我稍后還會提到。正是由于這個原因,2010年諾貝爾物理學獎就是頒發給了石墨烯的研究。

    我的故事在2002年開始。那一年我還是一個剛剛在哥倫比亞大學開始做研究的博士研究生。而我的導師Philip Kim也剛剛拿到哥倫比亞大學物理系的教職,開始自己的研究。在選擇我的博士研究課題的時候,Philip告訴了我他的一個想法(見下圖):之前人們研究的碳結構有零維的碳納米球和一維的碳納米管,但二維的碳結構,也就是石墨烯,是一個還沒有人涉足過的領域,沒有人知道里面會有什么樣的新物理現象。我聽了之后非常喜歡這個想法。但是怎么得到單層的石墨烯?沒有人知道。我一個剛剛開始、幾乎什么都還不懂的研究生決定去找到辦法。至于能不能找到,找到以后做什么,我都還完全沒有把握。

     

          但有一點我們是知道的,就是石墨烯其實在自然界廣泛存在。我們熟知的石墨就是石墨烯一層層摞起來形成的。所以問題在于怎么把一個原子層的石墨烯從大塊的石墨里面分離出來。我們做了調研,發現在這方面之前只有一些非常零星的嘗試。Cornell大學Paul McEuen實驗室當時正在嘗試用化學的辦法來做這件事。他們用化學的辦法把其它原子塞到石墨的原子層中,這種摻雜過的石墨在溶液中膨脹,就有可能分離出石墨烯的碎片。但是從他們的實驗結果來看,這個方法碰到很多的問題,比如得到的石墨碎片還是很厚,而且晶粒很小。

    在搜索文獻的時候,美國西北大學(Northwestern UniversityRodney Ruoff實驗室的一篇文章引起了我們的注意。在這篇文章里Xuekun Lu(盧學坤)他們發現,石墨小塊很像一副撲克牌,從邊上去推的時候層跟層之間很容易相互滑開,這樣一些薄片就掉落出來。從物理上這很容易理解。石墨中石墨烯層跟層之間的作用力是范德瓦耳斯力,相對于層內原子間的共價鍵作用力來說非常的小,所以原子層相互之間很容易滑動。這讓我們聯想到了鉛筆(如下圖)。我們平常用的鉛筆里的鉛筆芯就是石墨做成的。如

     

    果我們把鉛筆芯在電子顯微鏡下面放大,最終就能看到一層層卷起來的石墨烯。而我們平時用鉛筆寫字其實就是把鉛筆芯里的石墨剝離到紙上的過程,而其中很可能就有單層的石墨烯。所以我們大家其實都有過剝離石墨烯的經驗,只是我們自己沒有意識到而已。

    順著這個思路,我們決定用鉛筆寫字這個想法來從石墨里面分離石墨烯。當然為了更好地控制寫字時候的力度和方向,我們必須做出非常小的而且可以控制的鉛筆我們稱之為納米鉛筆。納米鉛筆的制備非常的艱苦。它的筆尖只有一兩個微米大小,需要用膠固定在一個幾十微米的軟的微懸梁的頭上。所有這些只有在高倍的顯微鏡下面才能看得到,所有的操作只能通過微機械手完成。通常一只納米鉛筆需要花費好幾天的時間才能做好,而如果的時候壞掉就要再做一只,重新來過。

    經過無數次的嘗試跟失敗,我花了兩年時間終于做出一些小的納米鉛筆,而且能在硅片上出來10納米,也就是30層左右的石墨薄片。在這些石墨薄片上我們發現用一個柵電極就可以非常顯著地改變樣品的導電性,這在以前厚石墨樣品里面是從來沒有被看到過的。我們在2004年把這個成果投出去,這也是我第一次寫文章,當時非常的興奮。

    但是就在差不多的同一個時間,英國Geim研究組石墨烯的工作突然出現在Science雜志上。也就是說他們趕在我們之前已經做出了單層的石墨烯??茖W發現是講求時效的,只有第一個做出發現的人才會被承認??吹剿麄兊慕Y果我跟Philip都很沮喪。尤其是Philip,他已經快到了終身教授評定(tenure review)的時間,有很大的壓力。但他反過來安慰我說,不管怎么樣我應該都是可以畢業的。

    失望歸失望,研究還是要繼續做下去。我仔細讀了Geim實驗室的文章,發現他們用的其實是一個非常簡單的方法。簡單來說,他們用的是我們日常用的膠帶,黏住一些大的石墨薄片后,在襯底表面反復地揭,最后總能找到一些單層的石墨烯。從另一個方面講,我們之前的方法是用一個納米鉛筆來石墨烯,而Geim實驗室用的大石墨薄片跟襯底在很多點接觸,相當于同時用千百個納米鉛筆來。雖然每一個納米鉛筆并不是可控的,但這么多的納米鉛筆同時工作,從統計的角度總是會有單層的石墨烯被襯底上。他們的這個方法雖然很簡單,卻非常有效。

    在看他們文章的時候我也注意到,雖然他們做出了單層的石墨烯,但從這些石墨烯樣品里得到的數據里卻還沒有發現原來并不知道的新物理。直覺告訴我這可能是數據質量的問題,如果樣品質量更高的話,說不定就有新的東西在那里。

    有了這個想法之后,我們結合我們之前的經驗,很快找到了突破點。一年后我們終于做出了質量高很多的樣品,并且在這些樣品里觀察到了一個全新的物理現象半整數反常量子霍爾效應。2005年我們和Geim實驗室同時發表了這個研究成果。簡單來說,半整數反常量子霍爾效應告訴我們,當我們把電子放到石墨烯里面,電子就失去了質量,變成了零質量的粒子。一般的情況下,這種現象只有對特殊的粒子,或者在能量很高的相對論情形下出現。在一個凝聚態體系里,這還是一個非常奇特的例子。

    自從這個發現之后,石墨烯一系列獨特的性質先后被發現。比如,石墨烯有非常高的機械強度;它雖然近乎透明,卻有很高的導電性,甚至超過銅;它的導熱性是已知的材料中最高的之一。正是由于石墨烯的種種特性,全世界許多的科學家被吸引到這個領域里來。石墨烯的研究也出現了爆炸式的增長。一些偏向應用的科學已經在夢想利用石墨烯的一些特殊性質來做實際的應用。比如利用石墨烯透明卻又導電的性質來做柔性的顯示器、手寫板以及太陽能電池的電極等等。這方面的想法不勝枚舉,真正的限制其實是我們的想象力。

    到現在科學家已經找到了很多種方法來制備石墨烯,包括化學分離的方法(Paul McEuen實驗室的辦法經過改進后實際上是可行的?。?,直接生長等等。值得一提的是,韓國的Byung Hee Hong教授甚至可以生長電視機屏幕那么大的石墨烯,并且可以轉移到想要的襯底上。這就把那些可能的應用(柔性顯示器、手寫板等)往現實更拉近了一步。相信不久的將來石墨烯會被廣泛運用到日常生活中的方方面面。

    回到我之前的故事,它的結局還算圓滿。Philip拿到了終身教授職位,而我也順利畢業。但這中間的種種艱苦跟曲折,以及做出發現之后的快樂,只有親身經歷過才能體會。

    回顧我的這些經歷,我感觸最深的有兩點:第一點是不要害怕挑戰,即使這些挑戰看起來有多么的困難。我很欣賞的科學家Freeman Dyson的話::“Grab every opportunity to take responsibility and do things for which you are unqualified.” 我很喜歡這句話。第二點是我從國內的教育里得到的一點體會。我在國內受到的教育在很多時候把知識包裝成一個完整體系交給我。這讓我產生了一個很大的錯覺,覺得我要完全掌握所有的這些完整的體系,才能有自己的發現。但真正接觸了物理研究之后才發現,不管知道多少,只要勤于思考,總是會有收獲。Freeman Dyson也承認“My own best work was done when I was most ignorant”。在開始這樣做的時候,可能你會發現你思考的99%的問題別人已經思考過,但如果你堅持這樣做,五年,十年,總有一天你會發現別人從來沒有想到過的東西。這就是你對全人類的貢獻。

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