違反物理定律的石墨烯 沖擊半導體產(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，這樣給很多現代診療帶來(lái)福音，還有，它在抗癌上也很神奇，在石墨烯上癌細胞難以成活但是正常細胞可以存活。

　　一、撕膠帶大法發(fā)現石墨烯

　　1930年以來(lái)的物理理論都認為二維結構會(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(zhù)名俄國物理學(xué)家朗道(LevLandau)等人就已證明，二維材料的熱運動(dòng)漲落會(huì )破壞自身的結構。實(shí)驗上制備石墨烯的種種失敗嘗試似乎也在佐證著(zhù)這一結論，比如石墨層越薄，就越容易卷曲成球狀或柱狀，而無(wú)法維持平面結構。因此，制備石墨烯曾被很多人認為是注定無(wú)法成功的。

　　但是，英國的兩，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(lèi)似撕膠帶的機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(kāi)，使之分為兩片。通過(guò)不斷重復這一“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。(這也太搞了，看來(lái)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(méi)這么簡(jiǎn)單，兩位科學(xué)家的研究前后持續了一年多的時(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(guān)測。

　　顯微鏡下的是石墨烯

　　石墨烯晶體結構

　　石墨烯是一種由碳原子以蜂巢結構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構的材料。

　　二、石墨烯的神奇特性

　　物理學(xué)家們發(fā)現石墨烯中的電子運動(dòng)具有很奇特的性質(zhì)，它其中的電子只有波動(dòng)性沒(méi)有粒子性，也就是說(shuō)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(jiàn)的可用于研究所謂相對論量子力學(xué)的凝聚態(tài)物質(zhì)——因為無(wú)質(zhì)量的粒子必須以光速運動(dòng)，從而必須用相對論量子力學(xué)來(lái)描述。而更奇妙的是，那種相對論量子力學(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(quantumHalleffect)，這種本身就是諾貝爾獎量級的重要效應以往是要在極低溫下才能顯現的，石墨烯卻能將它帶到室溫下。諾沃肖洛夫在接受媒體采訪(fǎng)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(lái)引誘。石墨烯對很多理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)無(wú)疑就具有那樣的魅力，因而吸引了眾多的追隨者。

　　金虎說(shuō)，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，這樣給很多現代診療帶來(lái)福音，還有，它在抗癌上也很神奇，在石墨烯上癌細胞難以成活但是正常細胞可以存活。

　　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)院電子工程和計算機科學(xué)系副教授TomasPalacios曾表示，在現有技術(shù)條件下，產(chǎn)生4、5GHz以上的頻率難度都相當高。而石墨烯倍頻器可以讓系統運行在500GHz到1000GHz的范疇內。金虎也表示僅采用0.18nm工藝，就可以制造出100GHZ的處理器。

　　石墨烯是機械強度最高的納米材料，有人設想用它可以制造太空天梯，就是谷歌的一個(gè)X計劃。

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

　　有香港的兩位科學(xué)家發(fā)現，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)機嗎?

　　金虎介紹說(shuō)目前石墨烯材料可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是由單層或多層石墨烯構成的薄膜，另一類(lèi)是由多層石墨烯(10層以下)構成的微片。石墨烯薄膜又細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。多晶薄膜則有望在5~10年內實(shí)現產(chǎn)業(yè)化應用，可替代ITO玻璃用于制造觸摸屏(特別是柔性電子產(chǎn)品)和其他需要透明導電材料的應用領(lǐng)域。

　　目前，在石墨烯薄膜和石墨烯微片這兩個(gè)方向上，我國都在進(jìn)行積極探索。2012年1月8日，江南石墨烯研究院對外宣稱(chēng)，手機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(mǎn)足智能手機觸摸屏的基本功能。

　　金虎表示石墨烯用于觸摸屏比ITO玻璃有很多優(yōu)勢，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)域研究的國家有英美韓中國日本等，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的公司有四家，分別是韓國三星、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(cháng)方法，并成功生長(cháng)出了世界上第一塊大尺寸的高質(zhì)量石墨烯薄膜，從而使得大規模生產(chǎn)石墨烯薄膜成為可能。2010年，于博士提出并實(shí)現了用生長(cháng)單晶石墨烯陣列來(lái)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(lái)引誘。石墨烯對很多理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)無(wú)疑就具有那樣的魅力，因而吸引了眾多的追隨者?，F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(lái)什么巨變?開(kāi)動(dòng)你的想象吧!