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石墨烯的传奇:2010年诺贝尔物理奖介绍 2011-03-16 16:46:44
2010年的诺贝尔物理奖,颁发给了在英国的两位物理学家盖姆(Andre Geim)和诺奥肖洛夫(Konstantin Novoselov),表彰他们对石墨烯(graphene)研究的贡献。今年的物理奖,有好几个与众不同的地方。

首先,这是历史上第一个关于碳的物理奖。我们从中学就知道,碳有两种晶体形态,一个是金刚石,用在最贵重的首饰上,另一个是石墨,用在最普通的铅笔里。我们也知道金刚石是最坚硬的天然材料。而石墨却是非常“脆弱”的。石墨的晶体结构是层状的。每一层内的碳原子结成稳固的六角形结构,而层与层之间的结合却弱得多。所以石墨很容易沿着层的方向分裂。在我们常见的物质中,碳的“两面性”可说是独一无二的了。

可是故事还才开始呢。1985年,人们发现碳还有其他的形式:60个碳原子(C60)能组成一个球,如图一所示。C60的结构模型类似一个足球,所以又叫足球烯。C60的发现在1996年得到了诺贝尔化学奖。后来人们又发现了所谓的“碳纳米管”,即由碳原子组成的管状结构,其直径在1 纳米左右,却可以有几厘米长。而这次得奖的石墨烯则是碳原子组成的单层膜,也就是石墨中的一层。尽管碳是我们最熟悉的元素和我们身体的主要成分,也是物理学多年的研究对象,但关于碳结构的工作却是第一次获得诺贝尔物理奖。

图一:碳60“足球”(引自http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/C60a.png)

图一:碳60“足球”(引自http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/C60a.png)



图二:碳纳米管 (引自http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Carbon_nanotube_zigzag_povray_cropped.


图二:碳纳米管 (引自http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Carbon_nanotube_zigzag_povray_cropped.PNG)

2010年物理奖还是第一个在21世纪做出的得奖工作(2004年)。而得奖者之一诺奥肖洛夫是1973年以来最年轻的物理奖得主。通常,诺贝尔科学奖都有点“考古”性质,只有极少数工作会很快得奖。而石墨烯的工作问世以来,其重要性很快得到了广泛承认。就拿物理学中最权威的期刊“物理评论通信(Physical Review Letters)”来说吧,在盖姆等的得奖工作发表以前,只有过21篇关于石墨烯的文章。而到2010年10月诺贝尔奖宣布时,有关文章已有1476篇,即使在诺奖宣布前,诺奥肖洛夫论文的引用率已经在整个物理界名列前茅了。可见这个工作开创了一个新领域,而且迅速得到了高度的重视。所以说这个石墨烯工作被诺奖“青眼有加”,应该说是当之无愧的。

石墨烯“声名鹊起”绝不是偶然的,而是因为它的确是一种非常神奇的材料。从理论上说,二维的电子系统有很多独特的性质,其中的量子霍尔效应的研究已得过两个诺贝尔奖。多年来人们一直在为二维电子系统寻找合适的实验平台。而石墨烯是第一个真正的二维系统。它的晶格非常规则,所以是良好的实验材料,甚至在常温下就能显示许多有趣的量子现象。石墨烯研究中发展的制作技术,也让我们得到了其他的二维晶格材料。

更重要的是,由于其独特的能带结构,石墨烯中的电子的等效质量是零。这意味着,这些电子(严格说是等效载流子)像光子一样遵从相对论规律,虽然其运动速度只有光速的几百分之一。例如,它们有着类似“偏振”的物理参数。所以石墨烯还是个观察和验证量子相对论的平台。

从应用上来说,石墨烯是一种非常有吸引力的电子材料。由于它只有一层原子,它的电子密度和导电性很容易被外加电压控制。而且它的晶格近乎完美,所以电子运动速度极快。目前石墨烯做成的三极管已经接近了一万亿赫兹的频率,比目前普通计算机的时钟频率高出几百倍。这个频率已经与远红外接轨,消除了电子频率与光学频率间的鸿沟。石墨烯也具备独特的光学性能,可能为显示屏和太阳能电池带来新的技术选项。

我们都知道“摩尔定律”,预言半导体器件的尺寸会越来越小。但当器件尺寸小到几百,几十个原子的尺度时,其材料已经不是原来意义上的晶体了,其电子性能也不再相同。所以,人们通常预言,摩尔定律将面临终结。然而,石墨烯的原子结构非常稳定,即使只有一个六边形也能保持稳定。所以石墨烯有希望做成真正的纳米元件,甚至单电子的三极管。缩小元件尺寸意味着在同样大小的芯片上可以制造更多元件,从而增加芯片的复杂度和降低成本。更重要的是,减少元件尺寸还能提高工作速度和降低功耗。所以石墨烯很可能在未来的电子产品中发挥重要作用。

在化学上,超薄的石墨烯有着无以伦比的表面积,所以活性很高。它可以取代目前石墨的一些应用,提供更卓越的性能。它还有希望作为储存氢气的材料而在未来的能源技术中大展身手呢。石墨烯的机械强度和韧性也非常惊人,比钢铁强得多。所以用它做成的复合材料也很有前途。

除了研究工作的重要性外,2010年物理奖还是第一次颁奖给一个“搞笑诺贝尔奖 (Ig Nobel Prize)”的得奖者。原来,盖姆实验室有个“星期五晚间项目”的传统,就是用十分之一的时间做些有趣但不一定有结果,或结果不一定重要的工作。有一次他把青蛙放在强磁场里悬浮起来,演示抗磁效应。这个好玩的实验不仅为他赢得了2000年的搞笑诺贝尔奖,而且还被别人用作课堂演示呢。而石墨烯的工作,不仅出自同一个人,甚至也出自“星期五晚间项目”这个科研形式!

说起来,石墨烯的发明还很有偶然性。也许出于于心血来潮,他们请一个研究生去试试能否用机械方式从石墨中分离出单层原子膜,结果失败了。碰巧,组里有个人知道用胶带清理石墨表面的方法:胶带能在石墨上粘走薄薄一层材料。于是他们想,如果用胶带反复分离这层材料,不是能越来越薄,最后得到只有一层原子吗?当然,这是个随机的操作,其结果肯定是一堆厚薄不等的碎片,而单层的石墨烯就藏身其中。

然而问题来了:怎样找到这单层的产物呢?在这样的尺度,唯一测量厚度的方法是原子力显微镜(AFM)。这种显微镜用一个具有原子尺度尖端的探针在样品表面扫描,而与样品保持恒定的微小距离。这样探针的移动就描绘出了材料的厚度曲线。但是因为是精密的机械扫描,这种成像方法既慢,视野也小。要“大海捞针”式地寻找石墨烯,它是不能胜任的。这就需要其它显微技术来配合。首先,他们使用光学显微镜。极薄的石墨碎片是透明的,普通情况下看不见。但是把碎片放在覆有一层二氧化硅的硅片衬底上时,那些薄膜会影响光的干涉而改变像的颜色。所以光学显微镜就能观察到这些薄膜。当然,这个方法只能观察到较厚的薄膜,非常薄的,只有一层或几层原子的还是看不到。这就需要另一种显微镜:扫描电子显微镜(SEM)。这种电镜能看到各种厚度的薄膜,但不能精确测量薄膜的厚度。将这两种显微镜的影像相互印证,凡是光学显微镜看不到而电子显微镜能看到的,就是非常薄的膜。再用原子力显微镜观察这些区域,就能找到单层的石墨烯了。可见,这个寻找过程需要三种显微镜的“联合作业”。而这个研究室恰恰具备了这个联合作业的条件。更幸运的是,事后才知道,他们使用的硅衬底恰巧有着厚度合适的二氧化硅。如果厚度改变一点,就看不到那些石墨碎片了。

但是要得诺贝尔奖,光靠运气还不够。做出了石墨烯,要引起科学界的兴趣也很不容易,因为这本来不是个热门课题。果然,他们的原始论文曾两次被《自然》杂志退稿。但是作者们没有放弃。在短短一年多时间,他们发表了一系列有趣的实验结果,证明了石墨烯是一个非常有前途的研究领域。这才吸引了成千上万的物理学家放下手头的课题转来研究石墨烯,带来了这个领域的飞速成长。

我们常说,成功需要“天时,地利,人和”。对于石墨烯的发现来说,“天时”是很不利的。虽然人们早在理论上预言了石墨烯的存在和种种性质,但一直没有人成功制成石墨烯。甚至还有热力学理论预言,二维的晶体结构是不稳定的。所以当时世界上只有个别的研究小组在关注这个课题。假如盖姆小组为石墨烯研究申请经费,几乎肯定会被驳回。而他们的成功来自“地利”:他们实验室恰巧具备了制作和检测的设备和技术。而更重要的是“人和”:他们的研究者有着开放的头脑和执着的热情!这个例子也证明,好的研究不一定需要大笔经费和庞大的团队。“无心插柳柳成荫”的模式即使在成熟的物理科学领域也没有过时。在企业界,有一种80-20的研发模式,允许员工用20%的时间从事自己感兴趣的任何项目。最著名的成功例子就是谷歌了。盖姆实验室的“星期五晚上”传统也是类似的思路。

所以,2010年的诺贝尔物理奖不仅表彰了一个具有重大意义的科研成果,而且表彰了一种独具一格的科研方式。我相信,这个奖会在诺贝尔的历史上留下独特的印记。

有关文章

吴国胜:石墨烯:好运气剥出一个单分子层 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=437346&do=blog&id=370157
卢昌海:“石墨烯——从象牙塔到未来世界” http://www.changhai.org/articles/science/physics/nobel2010.php 
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