違反物理定律的石墨烯 沖擊半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)

石墨烯有很多匪夷所思的特性，至今連科學(xué)家也解釋不了。例如，它有生物兼容性，植入生物體后不會(huì)有排異反應(yīng)，這樣給很多現(xiàn)代診療帶來福音，還有，它在抗癌上也很神奇，在石墨烯上癌細(xì)胞難以成活但是正常細(xì)胞可以存活。

一、撕膠帶大法發(fā)現(xiàn)石墨烯

1930年以來的物理理論都認(rèn)為二維結(jié)構(gòu)會(huì)在原子力的作用下塌縮成一個(gè)點(diǎn)，因此二維材料只存在于理論上，例如著名俄國(guó)物理學(xué)家朗道(LevLandau)等人就已證明，二維材料的熱運(yùn)動(dòng)漲落會(huì)破壞自身的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)上制備石墨烯的種種失敗嘗試似乎也在佐證著這一結(jié)論，比如石墨層越薄，就越容易卷曲成球狀或柱狀，而無法維持平面結(jié)構(gòu)。因此，制備石墨烯曾被很多人認(rèn)為是注定無法成功的。

但是，英國(guó)的兩，位物理學(xué)家蓋姆（AndreGeim）和諾奧肖洛夫（KonstantinNovoselov）不信這個(gè)邪，他們用類似撕膠帶的機(jī)械方式從石墨中分離出石墨烯，他們采用了所謂的“透明膠大法”(Scotchtapetechnique)，即用透明膠粘住石墨層的兩個(gè)面，然后撕開，使之分為兩片。通過不斷重復(fù)這一“大法”，并輔以其它手段，他們最終制備出了石墨烯。憑借這個(gè)，兩位物理學(xué)家獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（這也太搞了，看來搞高科技并不一定要大投入，搞點(diǎn)膠帶就可以了）其實(shí)，真實(shí)情況沒這么簡(jiǎn)單，兩位科學(xué)家的研究前后持續(xù)了一年多的時(shí)間，制備出的石墨烯則只有幾平方微米，要用高倍顯微鏡才能觀測(cè)。

顯微鏡下的是石墨烯

石墨烯晶體結(jié)構(gòu)

石墨烯是一種由碳原子以蜂巢結(jié)構(gòu)組成的六角形平面薄膜，它只有一個(gè)碳原子厚度，所以它是一種二維結(jié)構(gòu)的材料。

二、石墨烯的神奇特性

物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的電子運(yùn)動(dòng)具有很奇特的性質(zhì)，它其中的電子只有波動(dòng)性沒有粒子性，也就是說電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，這種性質(zhì)使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究所謂相對(duì)論量子力學(xué)的凝聚態(tài)物質(zhì)——因?yàn)闊o質(zhì)量的粒子必須以光速運(yùn)動(dòng)，從而必須用相對(duì)論量子力學(xué)來描述。而更奇妙的是，那種相對(duì)論量子力學(xué)中的“光速”并不是真空中的光速，而只有后者的1/300。

石墨烯還具有所謂的量子霍耳效應(yīng)(quantumHalleffect)，這種本身就是諾貝爾獎(jiǎng)量級(jí)的重要效應(yīng)以往是要在極低溫下才能顯現(xiàn)的，石墨烯卻能將它帶到室溫下。諾沃肖洛夫在接受媒體采訪時(shí)曾經(jīng)表示，要讓物理學(xué)家們改變自己的研究方向，必須用比他們所研究的有趣十倍的東西來引誘。石墨烯對(duì)很多理論物理學(xué)家來說無疑就具有那樣的魅力，因而吸引了眾多的追隨者。

金虎說，石墨烯有很多匪夷所思的特性，至今連科學(xué)家也解釋不了。例如，它有生物兼容性，植入生物體后不會(huì)有排異反應(yīng)，這樣給很多現(xiàn)代診療帶來福音，還有，它在抗癌上也很神奇，在石墨烯上癌細(xì)胞難以成活但是正常細(xì)胞可以存活。

石墨烯的電阻率低，比銅和銀還低，而它的電子遷移率很高，用它做晶體管材料，可以大大提升處理器的時(shí)鐘主頻，麻省理工學(xué)院電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授TomasPalacios曾表示，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，產(chǎn)生4、5GHz以上的頻率難度都相當(dāng)高。而石墨烯倍頻器可以讓系統(tǒng)運(yùn)行在500GHz到1000GHz的范疇內(nèi)。金虎也表示僅采用0.18nm工藝，就可以制造出100GHZ的處理器。

石墨烯是機(jī)械強(qiáng)度最高的納米材料，有人設(shè)想用它可以制造太空天梯，就是谷歌的一個(gè)X計(jì)劃。

此外，石墨烯還可以在電池、超級(jí)電容器、太陽能燈方面發(fā)揮作用。

有香港的兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，把石墨烯電極放在水中，就可以產(chǎn)生電流！這有點(diǎn)太匪夷所思，這不是永動(dòng)機(jī)嗎？

金虎介紹說目前石墨烯材料可以分為兩類，一類是由單層或多層石墨烯構(gòu)成的薄膜，另一類是由多層石墨烯（10層以下）構(gòu)成的微片。石墨烯薄膜又細(xì)分為單晶薄膜和多晶薄膜，其中，單晶薄膜可用于制造集成電路，但距離產(chǎn)業(yè)化的距離還很遙遠(yuǎn)。多晶薄膜則有望在5~10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，可替代ITO玻璃用于制造觸摸屏（特別是柔性電子產(chǎn)品）和其他需要透明導(dǎo)電材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，在石墨烯薄膜和石墨烯微片這兩個(gè)方向上，我國(guó)都在進(jìn)行積極探索。2012年1月8日，江南石墨烯研究院對(duì)外宣稱，手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏在常州研制成功。這種透明的薄膜可以滿足智能手機(jī)觸摸屏的基本功能。

金虎表示石墨烯用于觸摸屏比ITO玻璃有很多優(yōu)勢(shì)，例如ITO要用到銦，這是一種稀土材料，全球存量很少，而且有毒不易回收，而石墨烯材料很簡(jiǎn)單，也容易回收，更突出的是它的柔性很好，易于彎曲。

目前在這個(gè)領(lǐng)域研究的國(guó)家有英美韓中國(guó)日本等，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的公司有四家，分別是韓國(guó)三星、日本索尼、輝銳和二維碳素。各產(chǎn)業(yè)化的工藝和產(chǎn)能如下圖所示。

常州二維碳素科技有限公司的于慶凱博士在2008年4月首先發(fā)表了用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法在鎳和銅基底上合成石墨烯的生長(zhǎng)方法，并成功生長(zhǎng)出了世界上第一塊大尺寸的高質(zhì)量石墨烯薄膜，從而使得大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯薄膜成為可能。2010年，于博士提出并實(shí)現(xiàn)了用生長(zhǎng)單晶石墨烯陣列來解決大尺寸石墨烯單晶難以合成的難題。這一成就將推進(jìn)石墨烯高速電子器件的研究和應(yīng)用。

諾沃肖洛夫曾經(jīng)表示要讓物理學(xué)家們改變自己的研究方向，必須用比他們所研究的有趣十倍的東西來引誘。石墨烯對(duì)很多理論物理學(xué)家來說無疑就具有那樣的魅力，因而吸引了眾多的追隨者?，F(xiàn)在，這個(gè)神奇的材料已經(jīng)面臨產(chǎn)業(yè)化，它將給我們的生活帶來什么巨變？開動(dòng)你的想象吧！