世界首次!原子級石墨烯實現可控摺疊,科學家怎樣獲取石墨烯?

我國科學家在世界上首次實現了原子級精準控制的石墨烯摺疊，這是目前世界上最小尺寸的石墨烯摺疊，這一成果今天在國際學術期刊《科學》上發表。石墨烯是現代材料科學熱潮的鼻祖，有可能成為有史以來最具顛覆性的單一發明之一，石墨烯是如何被研究出來的？

出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院金屬研究所韓拯演講實錄：

首先，我問大家一個問題，我們用手拿得起來的最薄的東西是什麼？有朋友說是一張A4紙，沒錯，一張紙的厚度大概是88微米，我們頭髮絲的直徑大概在60～70微米。

我們能直接拿起的 最薄的東西

有沒有比紙更薄的呢？大家看，這是一張從金沙遺址出土的美輪美奐的太陽神鳥的金箔圖片，古代工匠可以把它做到20微米薄，主要是因為它的製作材料——金的延展性非常好。

有一個成語叫薄如蟬翼，那麼昆蟲的翅膀能達到多薄呢？答案是500納米到1微米。

還有小朋友經常玩的肥皂泡，它的厚度可以薄到10納米。薄也好，小也好，都是維度的問題。

對於尺度的思考，早在戰國時期，帥到天際的哲學家莊子先生就曾寫到：「一尺之棰，日取其半，萬世不竭。」

這句話從另一個側面告訴我們，莊子其實是一個文科生。

對此我們可以做一個簡單的估算，如果每天削去一根一尺厚的木棍的一半，那麼它的厚度就會順著1/2尺、1/4尺、1/8尺……這樣的指數減下去，只需要33天，木棍的厚度就達到原子極限，也就沒有辦法再繼續減下去了。

所以，另一位理科生，楊振寧老師告訴我們，除非有定量的證據，否則一切形式的哲學思辨都不能作為科學的真理被接受。

給層狀材料降維後會怎樣

回到剛才的問題，什麼是維度呢？有請我們的道具土豆先生。

一個土豆的維度

我們知道土豆在三維世界中是一個三維的造型，如果把它的維度減少一維，變為二維，它就會變成土豆片，如果再減少一維，就變成土豆絲，再往下減就變成零維的土豆丁或土豆末了。

自然界中有很多材料天然地就被切成了片，但它們看起來還是呈三維的，可能有人會問，我怎麼從來沒有遇到過一片、一層的單層材料呢？

昆蟲與牆壁間的範德瓦爾斯力

主要是因為這些層狀材料的層與層之間有一種神奇的力量——範德華力。這種力是範德華斯先生在研究氣體之間分子相互作用的時候發現的，它泛指一種分子間比較弱的作用力，後來這種力就以範德華先生的名字命名了。

人類很難用感官感覺到這個力的存在，是因為它非常弱，但如果我們把自己想像成一隻壁虎，那我們立刻就有了飛簷走壁的能力。

科學家們研究發現，壁虎腿部末梢的絨毛非常小，小到了納米尺度，每一根絨毛與牆壁或者樹枝之間都有著非常微弱的範德華力，成千成萬根絨毛提供的範德華力就足夠支撐它們的體重，讓它們具有「飛簷走壁」的能力了。

層狀材料層與層之間的力和壁虎腳上的絨毛與牆壁間的這種力一樣，都是範德華力。層狀材料的代表是碳材料中的一種——石墨。

石墨

石墨最薄的一層是一個單原子層，即一個碳原子層。以樂高積木打比方，積木的層與層之間很容易拆開，是因為它們之間的力非常弱，但是每一層自己非常牢固，堅不可破。

鑽石

石墨有一個同素異形體——鑽石，也叫金剛石，它跟石墨的區別是什麼呢？石墨和鑽石的主要成分都是碳，只不過石墨層間原子的結合力較弱，而鑽石每個原子間形成了非常強的結合鍵，於是人們從哪個方向都難以拆解鑽石。

鑽石的鍵能非常高，天然鑽石往往形成於數百千米以下的地裡，那裡高壓高溫的條件非常利於鑽石的形成。

兩者的市場售價更是千差萬別。一句古文曾寫道：「半匹紅綃一丈綾，系向牛頭充炭直。」也就是說，用半匹布就可以把一車碳買下來，

而鑽石的廣告詞——鑽石恆久遠，一顆永留傳。鑽石的售價非常高。

石墨層

石墨每層的厚度是0.33納米，如果把莊子的那句話稍稍修改一下，變成「一尺之碳，日取一層」，「萬世不竭」就沒有毛病了。

如何從層狀材料中拆分得到單層原子？

我研究的正是層狀材料。當然，我的研究對象並不滿足於自然界中已經天然形成的層狀材料，我和我的團隊研究的目標是把不同的層狀材料分離、拆解成單層，再把它們組裝到一起，然後研究它們在低維度下的美。

到底如何才能從層狀材料中拆解到一個單層原子呢？大家想一想，鉛筆芯是由石墨構成的，寫字時我們能很輕鬆地在紙上留下筆跡，這時就相當於輕鬆地拆解出了非常薄的石墨片層。

利用這樣的原理，科學家設計出了納米尺度的石墨，將其在基片上進行擦寫，這樣就留下了非常薄的石墨原子層。

不過這種方法具體實施起來很困難，而且不利於普及。有沒有更簡單的方法呢？

暴力拆除行不行？可不可以像手撕包菜那樣手撕石墨？答案是可以的。

利用膠帶對摺獲得石墨烯

如果你拿一個透明膠帶，當然在科研工作者眼中，這個膠帶不是普通的膠帶，它叫做「實驗器材」。我們將石墨片粘在膠帶上，將其對摺無數次之後，就能得到非常薄的單層原子層，也就是石墨烯了。

除了這種方法，還有沒有其他方法獲得石墨烯呢？當然有。科學家研究發現，如果在高溫或者其他條件下，我們用某種金屬襯底來起催化的作用，俘獲碳原子並將其聚集起來，便可以形成二維的、單原子層的石墨烯。

這種做法中的碳原子從何而來呢？我們可以將含碳的氣體，比如甲烷，送進機器裡，讓其與實驗材料形成化學反應。

碳原子形成過程

用圖片表示的話，大意是：甲烷中的四個氫原子被弄走了，只留下一個碳原子在金屬襯底上，後續會不斷有其他碳原子來跟它形成鍵，慢慢地，就能形成大面積的石墨烯了。

用來演示的這個動畫確實技術含量不高，看上去顯得有點低級，跟SHIT一樣。可你知道嗎，2011年的時候，美國著名的科學家James Tour就率先用狗屎製備出了石墨烯。

人類對石墨烯的研究展示了人類把層狀材料分成單層的極限，並從中測到了非常高深的量子物理。後來，人們又成功地把它製備到米級，甚至百米級的晶體。

石墨烯給產業界的變革帶來了深遠的影響，2010年，曼徹斯特大學的兩位科學家也因在石墨烯領域作出重大成果而獲得了諾貝爾物理學獎。

媽媽眼中我的科研

朋友們的眼神告訴我，或許你們認為科研工作者的世界是這樣的：天馬行空想一個問題，然後接受挑戰，再翻翻書，做做實驗，最後就拿到諾貝爾獎了，So easy。

今天的演講主題是「大夢想家」，這是每一位科研工作者的最高理想，最大夢想。

但實際情況是，我們每天早上從睡夢中醒來，抓起兩個饅頭匆匆趕往實驗室，路上見到同學會打一聲招呼：「Hi，你的髮際線還好嗎？」到了實驗室，放下饅頭，匆匆抓起兩卷膠帶，咔咔一頓扯。

好不容易發現一點點自我感覺是重大突破的時候，上網一查，50年前蘇聯的一位科學家就已經發現了，於是一切回爐重煉。

等到晚上回到寢室，腦袋瓜子嗡嗡地，只有一個聲音在迴響：我是夢想家，我不能退學。

現實中的科研

此時此刻我們會恨自己，當初為什麼選擇做「偏偏少年」，而不是做「明明少年」？因為明明可以靠顏值，偏偏卻要做科研。

三維到二維

「原子厚度的範德華材料有何區別」

剛才介紹了什麼是層狀材料，以及如何分離層狀材料。那麼為什麼我們要將層狀材料做一個三維到二維的轉變呢？

二維的材料能給我們帶來什麼樣新奇而有趣的物理性質？

靜電場中小孩頭髮飄起來

舉個例子，如果將一個小孩放到靜電場當中，他的頭髮就會自由地飄起來，這就是受到了電場的影響。

靜電場中的三維石墨

於是科研人員把一個三維的石墨也放到靜電場中，並用平行板電容器給它充上電，同時測量石墨的電阻。

之所以做這樣的實驗，是希望看到石墨的電阻能夠被電場所調控，這樣才有一定的研究價值，可惜，塊體的石墨根本做不到。

但是，如果我們把石墨減薄到二維極限下，這個問題就變得簡單了。

加電場調控的石墨烯

只要對石墨烯，或者其他各種各樣的二維層狀材料做一個電場調控，我們往往會得到電阻或其他特性隨電場而變化的關係。

除了電阻，還會看到諸多物理性能，比如磁性、超導等。二維材料帶給我們無限的可能，你可以用它來研究深奧的物理，來服務未來的應用。

如何把不同的層狀材料從不同的晶體中分離出來，再把它們組裝到一起，是我們主要的研究目標。

用不同的原子堆積成自然界中沒有的新結構——納米積木

把不同的層狀材料進行堆疊的過程類似拼積木。

堆疊的納米積木

自然界中有10萬種材料，其中約5000種是層狀材料，如果將它兩兩組合或者三三組合，那麼可能性遠遠大於100萬種。

旋轉的納米積木

我們還可以將二維材料進行旋轉操作，讓它們轉動起來，這在自然界中是不可能的，只有人類才可以進行這麼精細的操作。

圖中旋轉的過程中，我們會看到非常漂亮的圖案，它在增大又減小，我們將它稱為超晶格。

這種超晶格是人為製造出來的一種晶格，電子在其中運動的時候，性能會發生翻天覆地的變化，可以帶來超導特性、磁性，甚至其他更深奧的物理現象。

納米積木的堆疊

那麼科研人員是如何把納米積木堆積出來的呢？這個堆積的過程總共分為六步，首先還是用特殊的膠帶將層狀材料解開，然後像做漢堡包那樣，一層一層地摞在一起，再進行納米製備的操作，最後就得到像上圖右下角那樣一個非常小的納米積木了。

它非常小，小到重量只有10-14千克，也就是一百萬億分之一千克。

堆一個納米積木的設備總重約5噸

用於操作這個材料所需的設備很複雜，尺寸也很大，涉及到的科研設備總重量大概是5噸。

層狀晶體材料的各種用途

層狀材料用途廣泛

層狀材料和層狀晶體（二維材料）的應用前景非常廣闊，可以用在能源領域，比如超級電容，因為它的面積非常大，質量卻非常小。

還可以用在生物領域和微電子當中，等等。我們的實驗室其實聚焦於一個小小的領域，主要是做納米微電子。

碲化鎵壓縮到二維極限下

我再舉一個例子，碲化鎵是一個半導體，它的三維塊體的性能是非常簡單的，但如果把它壓縮到二維的極限下，它會發生什麼變化呢？

我們將三四層碲化鎵和兩層氮化硼夾在一起做成一個層狀結構。氮化硼是另一種層狀材料，女性常用的眼影裡經常有它。

我們像切西瓜一樣將晶體的剖面提取出來，再通過透射電子顯微鏡去觀察，就會發現氮化硼和碲化鎵的界面，在一個0.34～0.8納米的晶格裡交替變換著，這在自然界中是不可能存在的，是我們用人為的方式將它們堆到了一起。

堆到一起之後，它呈現出了兩種特性。第一種特性是可控的方向性。電子在少層碲化鎵中的運動有一個非常強的方向性，A方向的電阻可能是B方向電阻的5000倍，並且這個5000倍電阻的差異，還可以通過電場調節到5倍左右。

相當於給電子安裝了一個交通燈

這相當於給電子安裝了一個交通燈，讓它們遵守我們的規則，沿著任何一個方向去運動，所以它成了一個方向性傳感器，這是塊體三維中不可能存在的美妙事情。

浮柵寄存器

第二種特性，如果我們把納米積木做得再複雜一點兒，就像圖中所示的浮柵寄存器。

平時，我們對常規浮柵寄存器進行一次電壓操作，寫入一個信息之後，它能長時間地存儲信息，而碲化鎵—氮化硼浮柵寄存器在二維下有什麼新的特性呢？

它跟厚一點的材料有什麼不一樣呢？當我們寫入一次信息後，我們可以同時存儲兩組數據，從A方向讀取，它可能是一部電影，從B方向讀取，它可能是一部小說。也就是說，我們在提高存儲密度的同時，還增加了方向性的調控性。

今天講了很多層狀材料，講了如何把它分離成單層，如何把不同的層狀材料堆積成積木。

層狀材料本身在二維極限下也呈現一種極限的美，在工業界，尤其是半導體工業，我們都希望晶片的尺度越來越小，性能越來越高。

摩爾定律

有一個著名的摩爾定律。從圖中我們可以看到，1971年「8008」這個晶片生產的時候，它的尺度大概是10微米，我們在一個10微米大小的半導體上進行邏輯單元的運算操作。

顯然，科學家們不滿足這樣的尺寸，他們想要在單位面積上集成更多的信息單元，所以要減小尺寸。

這個類似坐火車，如果都賣臥鋪票，容納的乘客就不會太多，但如果把臥鋪票改為站票，尤其是在春運的時候，那就可以讓更多的人坐上火車。

於是科學家發明了FinFET（鰭柵電晶體）可以把平面通道變成站立通道，這樣就節約了大量的空間，如此一次就能在更小的面積裡儲存更多的晶片或運算單元。

我們可以想像，在可以預見的未來，這個尺度肯定是有極限的，並且它的極限肯定是一個單原子，因為人類不可能在日常生活中打破這個單原子，那是高能物理的範疇。

我們實驗室最近也在做這方面的工作，希望下一次有機會跟大家做更深入更全面的介紹。

講到這兒，我要感謝國內外的合作者以及我的學生團隊，正是他們的辛勤工作才支持了今天的報告。

我誠摯地邀請大家到瀋陽，到金屬研究所，到材料科學國家研究中心來作客，我們一起面對面堆樂高積木。感謝大家的聆聽，謝謝大家！

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