通常情況下,膠帶不會(huì)被看作是一種具有科學(xué)突破性的進(jìn)展。但是當(dāng)英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖羅夫(Konstantin Novoselov)(兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))2004年與同事在《科學(xué)》雜志發(fā)表了他們的研究成果——即用透明膠帶從一塊石墨烯上剝落碳原子的單原子薄片,這一研究緩緩拉開(kāi)了材料學(xué)革命的序幕。
自上述曼徹斯特研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表其研究成果的11年來(lái),相關(guān)領(lǐng)域的研究成果呈指數(shù)增長(zhǎng),去年,全球研究人員發(fā)表的關(guān)于石墨烯的研究成果超過(guò)1.5萬(wàn)項(xiàng)。這種現(xiàn)象很合乎情理:石墨烯是迄今為止制作的最輕材料,它的強(qiáng)度是鋼的100倍,比銅的導(dǎo)電性、柔韌性更好,而且很大程度上是透明的。研究人員設(shè)想了未來(lái)以石墨烯為基礎(chǔ)建造的每樣產(chǎn)品,如從下一代計(jì)算機(jī)芯片和柔性顯示器到蓄電池和燃料電池。
然而,石墨烯可能不會(huì)通過(guò)其自身作為一種理想材料來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)的巨大影響,而是通過(guò)它衍生的產(chǎn)物。盡管石墨烯有著許多令人眼花繚亂的優(yōu)點(diǎn),但它也有缺點(diǎn),尤其是不能充當(dāng)半導(dǎo)體——這是微電子的基石。現(xiàn)在,化學(xué)家和材料學(xué)家正在努力越過(guò)石墨烯,尋找其他的材料。他們正在合成其他兩種兼具柔韌性和透明度,而且擁有石墨烯無(wú)法企及的電子特性的二維片狀材料,他們已經(jīng)把其中一些轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆漭p量性和柔韌性的快速電子和光學(xué)設(shè)備,他們希望,這些材料可以作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)的支柱。
石墨烯,打開(kāi)二維材料新視野
從某種意義上說(shuō),二維材料并不是全新的技術(shù)。研究人員自上世紀(jì)60年代就利用分子數(shù)外延(MBE)機(jī)器開(kāi)發(fā)出原子形態(tài)的薄片材料。但是MBE機(jī)器通常被用于儲(chǔ)存如硅和砷化鎵等材料——這些晶體材料的原子結(jié)構(gòu)通常傾向于形成三維結(jié)構(gòu)。從這個(gè)層面看,由MBE機(jī)器制作的原子層就像一片奶酪,是三維材料的二維版本。
石墨烯有所不同,它更像一本書(shū)中的紙頁(yè),中國(guó)臺(tái)灣新竹“國(guó)立清華大學(xué)”材料學(xué)教授Yi-Hsien Lee說(shuō)。讓科學(xué)家大吃一驚的是,當(dāng)他們近距離研究石墨烯時(shí),卻發(fā)現(xiàn)塊狀石墨烯中并不存在導(dǎo)電性和光學(xué)特征。“最大的教訓(xùn)是石墨烯并沒(méi)有那么不同。”中國(guó)上海復(fù)旦大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說(shuō),盡管如此,研究人員表示,“石墨烯把二維材料帶到了聚光燈下。”
在談及高科技設(shè)備時(shí),石墨烯的光環(huán)黯淡了一些。電子時(shí)代的大多數(shù)被認(rèn)為有價(jià)值的材料都是半導(dǎo)體,而石墨烯更像一個(gè)金屬導(dǎo)體。“石墨烯確實(shí)是一種非常寶貴的材料。” 美國(guó)密歇根州立大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家David Tomanek說(shuō),“但它卻和電子行業(yè)不搭邊。”
然而,石墨烯打開(kāi)了科學(xué)家的視野,使他們把目光聚焦于平面電子的新世界。他們看到了與石墨烯類(lèi)似,但卻擁有新光電特征的材料,他們?cè)O(shè)計(jì)了單層硅(硅烯)、單層鍺(鍺烯)、單層錫(錫烯);他們創(chuàng)造了用氮化硼制作的絕緣體,該材料有著像石墨烯一樣的雞籠式晶格結(jié)構(gòu);他們制作了可用于控制特定化學(xué)反應(yīng)的高效催化劑單層金屬氧化物;他們甚至還在二維薄片中圈入水分子,盡管這樣做有何用途目前仍不清楚。
但就目前來(lái)看,大多數(shù)圍繞平面材料的研究工作聚焦于兩種材料:一種是叫作二硫化鉬(MoS2)的化合物;另一種是名為二維黑磷單晶(或稱(chēng)黑磷)的單層磷原子。兩種材料都有著吸引人的電子特性,而它們的研究者之間的競(jìng)爭(zhēng)也極為激烈。
二硫化鉬,光學(xué)設(shè)備優(yōu)選材料
在兩種材料中,二硫化鉬研究率先起步。二硫化鉬于2008年合成,是叫作過(guò)渡金屬二硫化物材料(TMDs)大家族的成員之一。這個(gè)顯得有點(diǎn)“花哨”的名字代表了它們的結(jié)構(gòu):一個(gè)過(guò)渡金屬原子(即鉬原子)和一對(duì)包括硫元素、硒元素在內(nèi)的來(lái)自元素周期表第16列的原子(該元素家族以氧族元素著稱(chēng))。
讓電子制造者驚喜的是,所有TMDs均是半導(dǎo)體。它們和石墨烯的薄度近乎相同(在二硫化鉬中,兩層硫原子把一層鉬原子像“三明治”那樣夾在中間),但是它們卻有其他優(yōu)點(diǎn)。就二硫化鉬而言,優(yōu)點(diǎn)之一是電子在平面薄片中的運(yùn)行速度,即電子遷移率。二硫化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs(即每平方厘米每伏秒通過(guò)100個(gè)電子),這遠(yuǎn)低于晶體硅的電子遷移速率1400 cm2/vs ,但是比非晶硅和其他超薄半導(dǎo)體的遷移速度更好,科學(xué)家正在研究這些材料,使其用于未來(lái)電子產(chǎn)品,如柔性顯示屏和其他可以靈活伸展的電子產(chǎn)品。
研究表明,二硫化鉬還極易制作,即便是制作大片的二維材料。這讓工程師能以非常快的速度檢測(cè)它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品中的性能。例如,2011年,由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Andras Kis帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然—納米技術(shù)》發(fā)表文章稱(chēng),他們用僅有0.65納米厚的二硫化鉬單層薄片制作出首批晶體管。結(jié)果證明,那些產(chǎn)品以及隨后的產(chǎn)品比技術(shù)更先進(jìn)的以硅為基礎(chǔ)的同類(lèi)產(chǎn)品具有其他獨(dú)特屬性。
除此之外,二硫化鉬還有其他令人向往的特性,即直接帶隙,這一特性使該材料把電子轉(zhuǎn)變成光子,反之亦然。這個(gè)特性也讓二硫化鉬成為光學(xué)設(shè)備中采用的優(yōu)質(zhì)候選對(duì)象,這些設(shè)備諸如光發(fā)射器、激光、光電探測(cè)器,甚至還包括太陽(yáng)能電池。一些科學(xué)家表示,這種材料還具備儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、無(wú)毒性等特點(diǎn),因此Yi-Hsien Lee認(rèn)為:“它的前途一片光明。”
然而,Tomanek則認(rèn)為,二硫化鉬的電子遷移速率仍然不夠高,很難在擁擠的電子市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其原因是這種材料的結(jié)構(gòu)特征,電子在其內(nèi)部移動(dòng)時(shí),碰到較大的金屬原子后會(huì)在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離,從而降低遷移速度。
但也有科學(xué)家表示,這種“絆腳石”將是短暫性的。研究人員正在試圖繞過(guò)這些障礙——通過(guò)變得略厚一些的多層二硫化鉬薄片,從而給壓縮電子提供選擇路徑使其繞過(guò)路障。“屆時(shí),二硫化鉬的遷移性問(wèn)題將被解決。”Yi-Hsien Lee說(shuō)。
黑磷,電子設(shè)備的材料新寵
二硫化鉬的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——二維黑磷單晶(又稱(chēng)黑磷)似乎讓科學(xué)家更為興奮。二維黑磷單晶是純磷可以形成的三種不同的晶體結(jié)構(gòu)(或同素異形體)之一。其他兩種材料分別是用于制造煙花的白磷和用于制造火柴頭的紅磷。
二維黑磷單晶由位于兩個(gè)位面的波浪形磷原子組成,去年剛剛合成。但是其屬性已經(jīng)使它成為材料學(xué)界的寵兒,其電子轉(zhuǎn)移速率為600 cm2/vs,一些研究人員希望進(jìn)一步提高這一速率;同時(shí),其頻間帶隙(讓電流通過(guò)該物質(zhì)所需要的電伏)是可調(diào)諧的,即電子工程師可以通過(guò)簡(jiǎn)單的改變二維黑磷單晶的疊層調(diào)整帶隙,這一特性有利于根據(jù)具體要求設(shè)計(jì)出期望的帶隙。“所有這些屬性都讓二維黑磷單晶成為一種超級(jí)材料。”Tomanek 說(shuō)。
研究人員正在以極快的速度推進(jìn)二維黑磷單晶的產(chǎn)品化。去年3月2日,張遠(yuǎn)波和復(fù)旦大學(xué)的其他同事在線發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》的報(bào)告稱(chēng),他們制作出了基于二維黑磷單晶的晶體三極管——這一產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)邏輯電路中發(fā)揮著“心臟”作用。兩周以后,Tomanek和同事也在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)《納米》期刊上發(fā)表了他們利用二維黑磷單晶制作出的晶體管的報(bào)告。
然而,不幸的是,二維黑磷單晶在空氣中不穩(wěn)定。“在24小時(shí)后,我們可以看到材料表面的氣泡,然后整個(gè)設(shè)備在數(shù)日內(nèi)就會(huì)失效。”得州大學(xué)奧斯汀分校二維黑磷單晶專(zhuān)家Joon-Seok Kim說(shuō)。專(zhuān)家表示,其中的罪魁禍?zhǔn)资撬魵?,它?huì)和磷發(fā)生反應(yīng),把磷轉(zhuǎn)化為磷酸并導(dǎo)致材料腐蝕。盡管如此,Kim的研究團(tuán)隊(duì)和其他科研人員依然在設(shè)法解決這一問(wèn)題。例如,Kim在今年3月份美國(guó)物理學(xué)會(huì)的一次報(bào)告中表示,他和同事已經(jīng)可以讓基于二維黑磷單晶的晶體管持續(xù)工作3個(gè)月——通過(guò)把它們封裝在氧化鋁和聚四氟乙烯的隔層中。
然而,Yi-Hsien Lee卻認(rèn)為這種方法并不能保證該材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。“你可以在產(chǎn)品上加一層保護(hù)層,但這僅僅是減緩了老化速率。”他爭(zhēng)論說(shuō),二維黑磷單晶之所以獲得一些研究人員的青睞,是因?yàn)檫@種材料易于上手:像石墨烯那樣,可以輕而易舉地用透明膠帶剝落黑磷的薄片。“這是同一種方法。”Yi-Hsien Lee說(shuō),“但這并不意味著,二維黑磷單晶前景大好。”
最終,兩種材料或許都有很大的發(fā)展空間。“我們才剛剛?cè)腴T(mén)。”佛羅里達(dá)州立大學(xué)物理學(xué)家Luis Balicas說(shuō)。他表示,隨著時(shí)間的發(fā)展,工程師將利用二硫化鉬與光的強(qiáng)相互作用制作太陽(yáng)能電池、光發(fā)射器和其他光學(xué)設(shè)備;同時(shí)增強(qiáng)二維黑磷單晶的高電子遷移率,并用其制作電子設(shè)備。
石墨烯與激光
1、新型石墨烯光電探測(cè)器
西班牙和美國(guó)科學(xué)家合作研制出一種基于石墨烯的光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化儀,其能在不到50飛秒(1秒的一千萬(wàn)億分之一)的時(shí)間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電信號(hào),幾乎接近光電轉(zhuǎn)化速度的極限,將大力助推多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。
高效的光電轉(zhuǎn)化技術(shù),因?yàn)槟茏尮馑鶖y帶的信息轉(zhuǎn)化成可在電子電路中進(jìn)行處理的電信號(hào),在從照相機(jī)到太陽(yáng)能電池等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,也是數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用的重要支撐。盡管石墨烯是一種擁有極高光電轉(zhuǎn)化效率的材料,但此前科學(xué)家們并不知道其對(duì)超短光脈沖的反應(yīng)究竟有多快。
現(xiàn)在,由西班牙光子科學(xué)研究所的研究員弗朗克·科朋斯教授、加泰羅尼亞高等研究院的尼爾克·范·赫斯特、美國(guó)麻省理工學(xué)院的帕博羅·加里洛-赫耶羅,以及加州大學(xué)河濱分校物理系教授劉津?qū)帲ㄒ糇g)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研制出了這種基于石墨烯的光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化儀,其能在不到50飛秒的時(shí)間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電,將光電轉(zhuǎn)化速度推到了極限。最新研究已發(fā)表在近期出版的《自然·納米技術(shù)》雜志上。
為了做到這一點(diǎn),研究人員使用了超快的脈沖激光激發(fā)以及超高靈敏度的電子讀出方法。研究人員克拉斯-揚(yáng)·泰爾說(shuō):“這一實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特之處在于,將從單分子超快光子學(xué)所獲得的超快脈沖成型技術(shù)與石墨烯電子技術(shù)完美結(jié)合在一起,再加上石墨烯的非線性光—熱電反應(yīng),使科學(xué)家們能在如此短的時(shí)間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。”
研究人員稱(chēng),由于石墨烯內(nèi)所有導(dǎo)帶載流子之間存在著超快且超高效的關(guān)聯(lián),在石墨烯內(nèi)快速制造出光電壓是可能的。這種相互關(guān)聯(lián)使他們可以采用一種不斷升高的電子溫度,快速制造出一種電子分布。如此一來(lái),從光吸收的能量能被有效且快速地轉(zhuǎn)變成電子的熱量。隨后,在擁有兩種不同摻雜的兩個(gè)石墨烯區(qū)域的交界處,電子的熱量被轉(zhuǎn)變成電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種光熱電效應(yīng)幾乎同時(shí)出現(xiàn),被吸收的光可以快速轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。
研究人員表示,最新研究打開(kāi)了一條通往超快光電轉(zhuǎn)化的新通路。科朋斯強(qiáng)調(diào)說(shuō):“石墨烯光電探測(cè)器擁有令人驚奇的性能,可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域。”
2、石墨烯材料有望蘊(yùn)育出新型寬帶激光器
德國(guó)亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心(HZDR)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組,在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下,對(duì)石墨烯中電子的動(dòng)力學(xué)研究有望促進(jìn)新型寬帶激光器的研制。
研究人員將石墨烯放置在4特斯拉的磁場(chǎng)內(nèi),在磁場(chǎng)的作用下,迫使材料中的電子形成特定的能級(jí),該能級(jí)被稱(chēng)為朗道能級(jí)。隨后,研究人員用自由電子激光器對(duì)這些能級(jí)進(jìn)行了研究。博士生Martin Mittendorff說(shuō):“激光脈沖激發(fā)電子,使它躍遷到特定的朗道能級(jí)。然后,用有時(shí)間延遲的脈沖來(lái)探測(cè)該系統(tǒng)如何運(yùn)作。”研究人員發(fā)現(xiàn),激光泵浦了一些新電子進(jìn)入朗道能級(jí),然后這些朗道能級(jí)又以意想不到的方式逐漸被掏空。他們認(rèn)為這是由電子間的碰撞導(dǎo)致的。
Stephan Winnerl博士做了一個(gè)類(lèi)比來(lái)解釋這個(gè)過(guò)程:“想象一下,一個(gè)圖書(shū)館管理員整理一個(gè)三層書(shū)架上的圖書(shū),她一次放置一本書(shū),把在書(shū)架較低擱板的書(shū)放到中間擱板。她的兒子也一起‘幫’她整理,每次從中間擱板拿兩本書(shū),一本放在頂部擱板,一本放在較低的擱板上。她的兒子非常希望中間擱板上放置的書(shū)的數(shù)量減少,即使中間隔板正是他媽媽希望放滿書(shū)的擱板。”Winnerl說(shuō)研究人員并不希望這個(gè)被稱(chēng)為俄歇散射的效應(yīng)太強(qiáng)或者耗散掉能級(jí)上的電子。
將石墨烯放置在磁場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)了很多效應(yīng),電子在這種體系中的動(dòng)力學(xué)之前并沒(méi)有被研究過(guò)。研究人員認(rèn)為他們發(fā)現(xiàn)的這個(gè)現(xiàn)象具有實(shí)現(xiàn)激光的可能性,而且產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)在紅外和太赫茲范圍可以任意調(diào)諧。
Winnerl說(shuō):“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái),這種朗道能級(jí)激光器被認(rèn)為是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。但是現(xiàn)在,利用石墨烯,半導(dǎo)體物理學(xué)家的夢(mèng)想有可能會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。”
3、石墨烯或?qū)⑷〈鶶ESAM成為飛秒光纖激光器核心材料
飛秒光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊,包括激光成像、全息光譜及超快光子學(xué)等科研應(yīng)用,以及激光材料精細(xì)加工、激光醫(yī)療(如眼科手術(shù))、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的飛秒光纖激光器核心器件——半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)采用半導(dǎo)體生長(zhǎng)工藝制備,成本很高,且技術(shù)由國(guó)外壟斷。
在飛秒光纖激光器領(lǐng)域,石墨烯被認(rèn)為是取代SESAM的最佳材料。2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者撰文預(yù)測(cè)石墨烯飛秒光纖激光器有望在2018年左右產(chǎn)業(yè)化。要實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化,需要解決高質(zhì)量石墨烯制備、大規(guī)模低成本石墨烯轉(zhuǎn)移、石墨烯與光場(chǎng)強(qiáng)相互作用、石墨烯飽和吸收體封裝以及激光功率穩(wěn)定控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。泰州巨納新能源有限公司經(jīng)過(guò)多年持續(xù)研究,成功攻克了這些關(guān)鍵技術(shù),率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯飛秒光纖激光器的產(chǎn)品化,主要性能指標(biāo)均高于同類(lèi)產(chǎn)品,具有很高的性價(jià)比和很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。