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未來電子器件 就是石墨烯的天下

2010年諾貝爾物理學獎授予給了曼徹斯特大學的Geim和Novoselov,以獎勵他們對二維材料石墨烯的開拓性研究。細心的讀者會發現獲獎理由並未使用“發現”意味的字眼,這是因為石墨烯究竟是誰發現的仍存在爭議。自從日本NEC公司的Iijima於1991年發表了那篇觸發碳納米管研究的裏程碑式的論文,人們對於碳納米管的發現也有過類似的爭論。相對而言,Curl爵士,Kroto和Smalley 因發現富勒烯而獲得1996年的諾貝爾化學獎,則爭議不大。

雖然佐治亞理工大學的de Heer 指出諾貝爾獎評審委員會在科學背景資料方麵存在大量事實錯誤,但不可否認的是,Novoselov等發表於2004年、2005年的論文確實促使石墨烯的研究風靡全球。由曼徹斯特的研究組發展的膠帶機械剝離法製備石墨烯具有簡單、高效和廉價的特性,從而迅速被世界各地的研究組所采用。正是這種簡便性賦予了石墨烯研究足夠的動力,使其以令人矚目的速度發展。雖然這種技術早已應用於裂解石墨的掃描隧道顯微鏡研究,但是從未用於石墨烯優良電學性質的研究。

對石墨烯的狂熱也引發了人們對其他二維材料如六方氮化硼、矽烯、過渡金屬氧化物、過渡金屬二硫化物、石墨烷以及氟化石墨烯的興趣。石墨烯的應用研究正在興起,包括低成本海水淡化、高強度複合承重材料、高頻晶體管、太陽能電池、傳感器、鋰離子電池和超級電容器等諸多方麵。

de Heer 關於石墨烯的開拓性工作應該得到認可,他的研究組獨立地利用碳化矽合成了石墨烯,並完成了單層石墨烯電學性質的測定。在2004年,Novoselov等的工作發表之前,de Heer 就已經意識到石墨烯將會帶來奇跡。他的研究組報道了超薄外延石墨薄膜的二維電子氣特性,並開啟了一條通向大規模製備石墨烯納米電子器件的道路。2005年,哥倫比亞大學Kim的研究組發表了對石墨烯量子霍爾效應和Berry 相的觀測結果並對此進行進一步研究,在發現石墨烯令人驚異的電子學特性上作出了諸多重要的貢獻。他們製備石墨烯的方法和Novoselov在2004年所報道的類似。美國德州大學奧斯汀分校的Ruoff 教授也一直致力於發展化學氣相沉積法製備石墨烯,該方法采用金屬為催化劑,這對石墨烯的商業價值至關重要。石墨烯研究領域有非常多的領軍人物,在此無法一一列舉。在這裏,對所有在石墨烯研究上作出貢獻、獲得廣泛科學影響並幫助建立和完善各個領域的年輕的或資深的學者表示感謝。

石墨烯領域的蓬勃發展離不開碳納米管和富勒烯領域的學者,是他們將自己的興趣投向了這個新的領域。表征石墨烯的儀器和方法通常與碳納米管的類似,如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子器件的構築、衍射和拉曼光譜。這些方法快速提升了我們對於這種新型二維晶體特性的理解,或許會發現石墨烯的新特性。

石墨烯是構築富勒烯、碳納米管和石墨結構的基本單元,但是它在最後才被研究,考慮到它分離的簡易性,這著實令人驚異。

許多不從事石墨烯研究的人質疑它是否被過分誇大了,類似的質疑也曾發生在富勒烯(1985年)和碳納米管(1991年)的研究上,因為它們缺乏實際應用,並且未對人們的生活帶來改變。富勒烯、碳納米管和石墨烯之間最大的差異是在製備方麵。除了C60和C70,大量製備高純富勒烯仍頗具挑戰性。富勒烯的一些最有趣的和最有用的特性需要靠摻雜或者添加分子官能團來實現,但是這也大大增加了高效液相色譜分離的時間,導致其價格昂貴。與石棉纖維類似,吸入碳納米管也對人體有害,因此備受批評。學者需要開展更多的研究以確認碳納米管中殘留金屬催化劑的毒性。盡管碳納米管在單器件水平上表現出優異的性能,但是碳納米管還存在手性混雜的問題,這使其同時具有半導體和金屬的電子傳輸行為,從而嚴重限製了其在電子器件方麵的應用。碳納米管作為一維納米線的最佳代表,對其的深入研究仍將繼續。石墨烯製備上的挑戰似乎已經解決,采用碳化矽和化學氣相沉積法製備的石墨烯已被證實可以滿足電學應用的要求,而化學剝離法製備的石墨烯則適用於基於溶液過程的鑄件噴塗和聚合物共混等方麵。為了使石墨烯能更有效地投入應用,必須使其附著於其他材料的表麵,尤其是半導體納米材料。在不久的將來,研究者們極有可能可以找到廉價製備高質量石墨烯的方法。也許正是這個原因使得石墨烯先於碳納米管獲得了諾貝爾獎,盡管碳納米管也顯示出了十分優良的電學和力學性能,並牢牢吸引了世界上眾多學者的關注長達十多年。

專家視點

作為由sp2雜化碳原子網狀連接而成的最薄的二維原子晶體材料,石墨烯擁有無與倫比的特性。石墨烯中的載流子遷移率遠高於傳統的矽材料,室溫下本征遷移率高達200000cm2/(V?s),而典型的矽場效應晶體管的電子遷移率僅約1000cm2/(V?s)。石墨烯擁有已知材料中最高的熱導率[約5000W/(m?K)]、極高的楊氏模量(1.06TPa)和斷裂應力(約130GPa),以及巨大的比表麵積(2630m2/g),加之其良好的柔韌性和透光性,使其成為過去十年的超級明星材料。石墨烯在高性能複合材料、柔性顯示與柔性電子器件、電化學儲能、光通信、超高頻電子器件、光電檢測與傳感器件等諸多領域顯示出廣闊的應用前景,受到國際上的廣泛重視。

中國是石墨烯研究大國,擁有一支龐大的石墨烯研究隊伍。目前,中國科學家發表的學術論文總數已超過美國,躍居世界第一位。中國在石墨烯的產業化研發方麵也有可圈可點的表現,在鋰離子電池、手機觸摸屏等領域已進入量產階段。毋庸置疑,石墨烯研究已經逐漸走出象牙塔,進入產業化階段。在未來二十年間,石墨烯製品將陸續走進人們的生活。

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