 |
|
 |
|
|
|
 |
|
|
|
|
|
|
|
 | 石墨烯的傳奇：2010年諾貝爾物理獎介紹 |
| | 2010年的諾貝爾物理獎，頒發給了在英國的兩位物理學家蓋姆（Andre Geim）和諾奧肖洛夫（Konstantin Novoselov），表彰他們對石墨烯（graphene）研究的貢獻。今年的物理獎，有好幾個與眾不同的地方。
首先，這是歷史上第一個關於碳的物理獎。我們從中學就知道，碳有兩種晶體形態，一個是金剛石，用在最貴重的首飾上，另一個是石墨，用在最普通的鉛筆里。我們也知道金剛石是最堅硬的天然材料。而石墨卻是非常“脆弱”的。石墨的晶體結構是層狀的。每一層內的碳原子結成穩固的六角形結構，而層與層之間的結合卻弱得多。所以石墨很容易沿着層的方向分裂。在我們常見的物質中，碳的“兩面性”可說是獨一無二的了。
可是故事還才開始呢。1985年，人們發現碳還有其他的形式：60個碳原子（C60）能組成一個球，如圖一所示。C60的結構模型類似一個足球，所以又叫足球烯。C60的發現在1996年得到了諾貝爾化學獎。後來人們又發現了所謂的“碳納米管”，即由碳原子組成的管狀結構，其直徑在1 納米左右，卻可以有幾厘米長。而這次得獎的石墨烯則是碳原子組成的單層膜，也就是石墨中的一層。儘管碳是我們最熟悉的元素和我們身體的主要成分，也是物理學多年的研究對象，但關於碳結構的工作卻是第一次獲得諾貝爾物理獎。
圖一：碳60“足球”(引自http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/C60a.png)
圖二：碳納米管 （引自http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Carbon_nanotube_zigzag_povray_cropped.PNG）
2010年物理獎還是第一個在21世紀做出的得獎工作（2004年）。而得獎者之一諾奧肖洛夫是1973年以來最年輕的物理獎得主。通常，諾貝爾科學獎都有點“考古”性質，只有極少數工作會很快得獎。而石墨烯的工作問世以來，其重要性很快得到了廣泛承認。就拿物理學中最權威的期刊“物理評論通信（Physical Review Letters）”來說吧，在蓋姆等的得獎工作發表以前，只有過21篇關於石墨烯的文章。而到2010年10月諾貝爾獎宣布時，有關文章已有1476篇，即使在諾獎宣布前，諾奧肖洛夫論文的引用率已經在整個物理界名列前茅了。可見這個工作開創了一個新領域，而且迅速得到了高度的重視。所以說這個石墨烯工作被諾獎“青眼有加”，應該說是當之無愧的。
石墨烯“聲名鵲起”絕不是偶然的，而是因為它的確是一種非常神奇的材料。從理論上說，二維的電子系統有很多獨特的性質，其中的量子霍爾效應的研究已得過兩個諾貝爾獎。多年來人們一直在為二維電子系統尋找合適的實驗平台。而石墨烯是第一個真正的二維系統。它的晶格非常規則，所以是良好的實驗材料，甚至在常溫下就能顯示許多有趣的量子現象。石墨烯研究中發展的製作技術，也讓我們得到了其他的二維晶格材料。
更重要的是，由於其獨特的能帶結構，石墨烯中的電子的等效質量是零。這意味着，這些電子（嚴格說是等效載流子）像光子一樣遵從相對論規律，雖然其運動速度只有光速的幾百分之一。例如，它們有着類似“偏振”的物理參數。所以石墨烯還是個觀察和驗證量子相對論的平台。
從應用上來說，石墨烯是一種非常有吸引力的電子材料。由於它只有一層原子，它的電子密度和導電性很容易被外加電壓控制。而且它的晶格近乎完美，所以電子運動速度極快。目前石墨烯做成的三極管已經接近了一萬億赫茲的頻率，比目前普通計算機的時鐘頻率高出幾百倍。這個頻率已經與遠紅外接軌，消除了電子頻率與光學頻率間的鴻溝。石墨烯也具備獨特的光學性能，可能為顯示屏和太陽能電池帶來新的技術選項。
我們都知道“摩爾定律”，預言半導體器件的尺寸會越來越小。但當器件尺寸小到幾百，幾十個原子的尺度時，其材料已經不是原來意義上的晶體了，其電子性能也不再相同。所以，人們通常預言，摩爾定律將面臨終結。然而，石墨烯的原子結構非常穩定，即使只有一個六邊形也能保持穩定。所以石墨烯有希望做成真正的納米元件，甚至單電子的三極管。縮小元件尺寸意味着在同樣大小的芯片上可以製造更多元件，從而增加芯片的複雜度和降低成本。更重要的是，減少元件尺寸還能提高工作速度和降低功耗。所以石墨烯很可能在未來的電子產品中發揮重要作用。
在化學上，超薄的石墨烯有着無以倫比的表面積，所以活性很高。它可以取代目前石墨的一些應用，提供更卓越的性能。它還有希望作為儲存氫氣的材料而在未來的能源技術中大展身手呢。石墨烯的機械強度和韌性也非常驚人，比鋼鐵強得多。所以用它做成的複合材料也很有前途。
除了研究工作的重要性外，2010年物理獎還是第一次頒獎給一個“搞笑諾貝爾獎 （Ig Nobel Prize）”的得獎者。原來，蓋姆實驗室有個“星期五晚間項目”的傳統，就是用十分之一的時間做些有趣但不一定有結果，或結果不一定重要的工作。有一次他把青蛙放在強磁場裡懸浮起來，演示抗磁效應。這個好玩的實驗不僅為他贏得了2000年的搞笑諾貝爾獎，而且還被別人用作課堂演示呢。而石墨烯的工作，不僅出自同一個人，甚至也出自“星期五晚間項目”這個科研形式！
說起來，石墨烯的發明還很有偶然性。也許出于于心血來潮，他們請一個研究生去試試能否用機械方式從石墨中分離出單層原子膜，結果失敗了。碰巧，組裡有個人知道用膠帶清理石墨表面的方法：膠帶能在石墨上粘走薄薄一層材料。於是他們想，如果用膠帶反覆分離這層材料，不是能越來越薄，最後得到只有一層原子嗎？當然，這是個隨機的操作，其結果肯定是一堆厚薄不等的碎片，而單層的石墨烯就藏身其中。
然而問題來了：怎樣找到這單層的產物呢？在這樣的尺度，唯一測量厚度的方法是原子力顯微鏡（AFM）。這種顯微鏡用一個具有原子尺度尖端的探針在樣品表面掃描，而與樣品保持恆定的微小距離。這樣探針的移動就描繪出了材料的厚度曲線。但是因為是精密的機械掃描，這種成像方法既慢，視野也小。要“大海撈針”式地尋找石墨烯，它是不能勝任的。這就需要其它顯微技術來配合。首先，他們使用光學顯微鏡。極薄的石墨碎片是透明的，普通情況下看不見。但是把碎片放在覆有一層二氧化硅的硅片襯底上時，那些薄膜會影響光的干涉而改變像的顏色。所以光學顯微鏡就能觀察到這些薄膜。當然，這個方法只能觀察到較厚的薄膜，非常薄的，只有一層或幾層原子的還是看不到。這就需要另一種顯微鏡：掃描電子顯微鏡（SEM）。這種電鏡能看到各種厚度的薄膜，但不能精確測量薄膜的厚度。將這兩種顯微鏡的影像相互印證，凡是光學顯微鏡看不到而電子顯微鏡能看到的，就是非常薄的膜。再用原子力顯微鏡觀察這些區域，就能找到單層的石墨烯了。可見，這個尋找過程需要三種顯微鏡的“聯合作業”。而這個研究室恰恰具備了這個聯合作業的條件。更幸運的是，事後才知道，他們使用的硅襯底恰巧有着厚度合適的二氧化硅。如果厚度改變一點，就看不到那些石墨碎片了。
但是要得諾貝爾獎，光靠運氣還不夠。做出了石墨烯，要引起科學界的興趣也很不容易，因為這本來不是個熱門課題。果然，他們的原始論文曾兩次被《自然》雜誌退稿。但是作者們沒有放棄。在短短一年多時間，他們發表了一系列有趣的實驗結果，證明了石墨烯是一個非常有前途的研究領域。這才吸引了成千上萬的物理學家放下手頭的課題轉來研究石墨烯，帶來了這個領域的飛速成長。
我們常說，成功需要“天時，地利，人和”。對於石墨烯的發現來說，“天時”是很不利的。雖然人們早在理論上預言了石墨烯的存在和種種性質，但一直沒有人成功製成石墨烯。甚至還有熱力學理論預言，二維的晶體結構是不穩定的。所以當時世界上只有個別的研究小組在關注這個課題。假如蓋姆小組為石墨烯研究申請經費，幾乎肯定會被駁回。而他們的成功來自“地利”：他們實驗室恰巧具備了製作和檢測的設備和技術。而更重要的是“人和”：他們的研究者有着開放的頭腦和執着的熱情！這個例子也證明，好的研究不一定需要大筆經費和龐大的團隊。“無心插柳柳成蔭”的模式即使在成熟的物理科學領域也沒有過時。在企業界，有一種80-20的研發模式，允許員工用20%的時間從事自己感興趣的任何項目。最著名的成功例子就是谷歌了。蓋姆實驗室的“星期五晚上”傳統也是類似的思路。
所以，2010年的諾貝爾物理獎不僅表彰了一個具有重大意義的科研成果，而且表彰了一種獨具一格的科研方式。我相信，這個獎會在諾貝爾的歷史上留下獨特的印記。
有關文章
吳國勝：石墨烯：好運氣剝出一個單分子層 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=437346&do=blog&id=370157
盧昌海：“石墨烯——從象牙塔到未來世界” http://www.changhai.org/articles/science/physics/nobel2010.php
|
|
|
|
|
|
 |
|
|
|
|
|
|
