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石墨烯开疆拓土 创新高潮又来袭

2015-06-25 00:15
科技那回事
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多个类型的平面材料堆砌在一起,可能展现每个的最佳性能

  物理学家习惯使用他们所能想到的最好的词语来形容石墨烯。这丝薄的单原子厚度的碳是灵活、透明的,比钢强、比铜导电好,虽然非常薄,但它实际上是二维材料。在2004年被分离出来后不久,石墨烯就成为全世界研究人员痴迷的对象。

  不过,对Andras Kis而言并非如此。Kis表示,与石墨烯一样不可思议的是,“我觉得必须超越碳”。因此,在2008年,当他有机会在瑞士联邦理工学院(EPFL)组建自己的纳米电子学研究团队时,Kis专注于研究一种超平材料。

  这些材料有一个“笨拙”的名字:过渡金属硫化物(TMDC),但它们具有相当简单的二维结构。钼或钨等过渡金属原子的单排结构,夹在同样薄的硫元素层之间,例如硫和硒——在元素周期表中,它们均位于氧元素的下方。Kis表示,TMDC几乎与石墨烯同样薄、透明和灵活。“但它们莫名奇妙地就得到一个没有趣的名声,我认为它们应该有第二次机会。”

  他是对的。很快,研究人员发现,不同基础成分搭配制成的TMDC具有大范围的电子和光学特性。例如,与石墨烯不同,许多TMDC是半导体,这意味着它们有潜力被制成分子级别的数字处理器,并比硅更加节能。

  在几年中,全世界大量实验室已经加入了追寻这种二维材料的行列。“最初是一种,然后是两种、三种,突然间,变成了二维材料王国。”Kis说。从2008年的零星出版,到现在每天6篇出版物问世,二维TMDC不断发展。物理学家认为可能有约500种二维材料,不只石墨烯和TMDC,还包括单层金属氧化物和单元素材料。“如果你想要一个给定属性的二维材料,那么你将能找到一个。”爱尔兰都柏林三一学院物理学家Jonathan Coleman说。

  “每一个都像乐高积木,如果你将它们拼在一起,或许就能做出一个全新的东西。”Kis说。

  平面大冒险

  仅几个原子厚度的材料,就能有非常不同的基本特性。“即便块体材料乏善可陈,但如果你能将它变为二维形式,它会打开新的大门。”中国复旦大学实验凝聚态物理学家张远波说。

  碳就是一个典型的案例。2004年,物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次报告称,他们在英国曼彻斯特大学的实验室分离出了石墨烯。他们的技术非常简单。基本步骤是,在石墨薄片上按压一条胶带,然后将胶带撕下,胶带上就残留有一些原子厚度的薄层。通过重复该过程,他们最终得到了单原子层,于是Geim和Novoselov得以开始研究石墨烯的特性。该研究获得2010年诺贝尔物理学奖。

  物理学家很快开发出该物质的许多应用特性,从制作可弯曲屏幕到能源储存。但不幸的是,石墨烯并不适用于数字电子学领域。而对于这一领域而言,理想材料是半导体。

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