28—石墨烯的故事(张远波)

 发布时间:2012-07-21      访问次数:3643


石墨烯的故事

 

2012522在复旦大学第47届科学报告会暨学术文化周上的演讲

张远波,物理系教授

  

      很荣幸能有这个机会跟大家面对面交流。今天我想和在座的各位来分享一个故事,故事的主角是一种新的材料:石墨烯。而我有幸从一开始就参与了对它的研究,这个故事也是我的一个亲身经历。

      在讲这个故事之前我想提到的是,大家在上大学物理的时候可能感觉它是一个非常完备的体系,整体的构架已经搭建完了,剩下的只是一些细枝末节的东西。至少我当初在学物理的时候感觉是这样。但是我后来发现实际做物理研究的时候完全不是如此。许多新的东西在等着我们去发现;在探索的过程中,很多想法的出发点可能都是错误的,整个过程充满曲折,激动人心。 

 

石墨烯是由一层碳原子组成的蜂巢形状的二维晶格,如下图所示:  

 

它的出现对基础物理中我们对二维电子体系的理解乃至对生活中实际的应用都有巨大的意义,这一点我稍后还会提到。正是由于这个原因,2010年诺贝尔物理学奖就是颁发给了石墨烯的研究。

我的故事在2002年开始。那一年我还是一个刚刚在哥伦比亚大学开始做研究的博士研究生。而我的导师Philip Kim也刚刚拿到哥伦比亚大学物理系的教职,开始自己的研究。在选择我的博士研究课题的时候,Philip告诉了我他的一个想法(见下图):之前人们研究的碳结构有零维的碳纳米球和一维的碳纳米管,但二维的碳结构,也就是石墨烯,是一个还没有人涉足过的领域,没有人知道里面会有什么样的新物理现象。我听了之后非常喜欢这个想法。但是怎么得到单层的石墨烯?没有人知道。我一个刚刚开始、几乎什么都还不懂的研究生决定去找到办法。至于能不能找到,找到以后做什么,我都还完全没有把握。

 

      但有一点我们是知道的,就是石墨烯其实在自然界广泛存在。我们熟知的石墨就是石墨烯一层层摞起来形成的。所以问题在于怎么把一个原子层的石墨烯从大块的石墨里面分离出来。我们做了调研,发现在这方面之前只有一些非常零星的尝试。Cornell大学Paul McEuen实验室当时正在尝试用化学的办法来做这件事。他们用化学的办法把其它原子塞到石墨的原子层中,这种掺杂过的石墨在溶液中膨胀,就有可能分离出石墨烯的碎片。但是从他们的实验结果来看,这个方法碰到很多的问题,比如得到的石墨碎片还是很厚,而且晶粒很小。

在搜索文献的时候,美国西北大学(Northwestern UniversityRodney Ruoff实验室的一篇文章引起了我们的注意。在这篇文章里Xuekun Lu(卢学坤)他们发现,石墨小块很像一副扑克牌,从边上去推的时候层跟层之间很容易相互滑开,这样一些薄片就掉落出来。从物理上这很容易理解。石墨中石墨烯层跟层之间的作用力是范德瓦耳斯力,相对于层内原子间的共价键作用力来说非常的小,所以原子层相互之间很容易滑动。这让我们联想到了铅笔(如下图)。我们平常用的铅笔里的铅笔芯就是石墨做成的。如

 

果我们把铅笔芯在电子显微镜下面放大,最终就能看到一层层卷起来的石墨烯。而我们平时用铅笔写字其实就是把铅笔芯里的石墨剥离到纸上的过程,而其中很可能就有单层的石墨烯。所以我们大家其实都有过剥离石墨烯的经验,只是我们自己没有意识到而已。

顺着这个思路,我们决定用铅笔写字这个想法来从石墨里面分离石墨烯。当然为了更好地控制写字时候的力度和方向,我们必须做出非常小的而且可以控制的铅笔我们称之为纳米铅笔。纳米铅笔的制备非常的艰苦。它的笔尖只有一两个微米大小,需要用胶固定在一个几十微米的软的微悬梁的头上。所有这些只有在高倍的显微镜下面才能看得到,所有的操作只能通过微机械手完成。通常一只纳米铅笔需要花费好几天的时间才能做好,而如果的时候坏掉就要再做一只,重新来过。

经过无数次的尝试跟失败,我花了两年时间终于做出一些小的纳米铅笔,而且能在硅片上出来10纳米,也就是30层左右的石墨薄片。在这些石墨薄片上我们发现用一个栅电极就可以非常显著地改变样品的导电性,这在以前厚石墨样品里面是从来没有被看到过的。我们在2004年把这个成果投出去,这也是我第一次写文章,当时非常的兴奋。

但是就在差不多的同一个时间,英国Geim研究组石墨烯的工作突然出现在Science杂志上。也就是说他们赶在我们之前已经做出了单层的石墨烯。科学发现是讲求时效的,只有第一个做出发现的人才会被承认。看到他们的结果我跟Philip都很沮丧。尤其是Philip,他已经快到了终身教授评定(tenure review)的时间,有很大的压力。但他反过来安慰我说,不管怎么样我应该都是可以毕业的。

失望归失望,研究还是要继续做下去。我仔细读了Geim实验室的文章,发现他们用的其实是一个非常简单的方法。简单来说,他们用的是我们日常用的胶带,黏住一些大的石墨薄片后,在衬底表面反复地揭,最后总能找到一些单层的石墨烯。从另一个方面讲,我们之前的方法是用一个纳米铅笔来石墨烯,而Geim实验室用的大石墨薄片跟衬底在很多点接触,相当于同时用千百个纳米铅笔来。虽然每一个纳米铅笔并不是可控的,但这么多的纳米铅笔同时工作,从统计的角度总是会有单层的石墨烯被衬底上。他们的这个方法虽然很简单,却非常有效。

在看他们文章的时候我也注意到,虽然他们做出了单层的石墨烯,但从这些石墨烯样品里得到的数据里却还没有发现原来并不知道的新物理。直觉告诉我这可能是数据质量的问题,如果样品质量更高的话,说不定就有新的东西在那里。

有了这个想法之后,我们结合我们之前的经验,很快找到了突破点。一年后我们终于做出了质量高很多的样品,并且在这些样品里观察到了一个全新的物理现象半整数反常量子霍尔效应2005年我们和Geim实验室同时发表了这个研究成果。简单来说,半整数反常量子霍尔效应告诉我们,当我们把电子放到石墨烯里面,电子就失去了质量,变成了零质量的粒子。一般的情况下,这种现象只有对特殊的粒子,或者在能量很高的相对论情形下出现。在一个凝聚态体系里,这还是一个非常奇特的例子。

自从这个发现之后,石墨烯一系列独特的性质先后被发现。比如,石墨烯有非常高的机械强度;它虽然近乎透明,却有很高的导电性,甚至超过铜;它的导热性是已知的材料中最高的之一。正是由于石墨烯的种种特性,全世界许多的科学家被吸引到这个领域里来。石墨烯的研究也出现了爆炸式的增长。一些偏向应用的科学已经在梦想利用石墨烯的一些特殊性质来做实际的应用。比如利用石墨烯透明却又导电的性质来做柔性的显示器、手写板以及太阳能电池的电极等等。这方面的想法不胜枚举,真正的限制其实是我们的想象力。

到现在科学家已经找到了很多种方法来制备石墨烯,包括化学分离的方法(Paul McEuen实验室的办法经过改进后实际上是可行的!),直接生长等等。值得一提的是,韩国的Byung Hee Hong教授甚至可以生长电视机屏幕那么大的石墨烯,并且可以转移到想要的衬底上。这就把那些可能的应用(柔性显示器、手写板等)往现实更拉近了一步。相信不久的将来石墨烯会被广泛运用到日常生活中的方方面面。

回到我之前的故事,它的结局还算圆满。Philip拿到了终身教授职位,而我也顺利毕业。但这中间的种种艰苦跟曲折,以及做出发现之后的快乐,只有亲身经历过才能体会。

回顾我的这些经历,我感触最深的有两点:第一点是不要害怕挑战,即使这些挑战看起来有多么的困难。我很欣赏的科学家Freeman Dyson的话::“Grab every opportunity to take responsibility and do things for which you are unqualified.” 我很喜欢这句话。第二点是我从国内的教育里得到的一点体会。我在国内受到的教育在很多时候把知识包装成一个完整体系交给我。这让我产生了一个很大的错觉,觉得我要完全掌握所有的这些完整的体系,才能有自己的发现。但真正接触了物理研究之后才发现,不管知道多少,只要勤于思考,总是会有收获。Freeman Dyson也承认“My own best work was done when I was most ignorant”。在开始这样做的时候,可能你会发现你思考的99%的问题别人已经思考过,但如果你坚持这样做,五年,十年,总有一天你会发现别人从来没有想到过的东西。这就是你对全人类的贡献。