把科研當成快樂的游戲

錢 煒

10月5日,瑞典皇家科學院宣布,將2010年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學的兩位科學家——現年52歲的安德烈·海姆和36歲的康斯坦丁·諾沃肖洛夫,以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。

研究:“search”而非“research”

石墨烯是怎么被發現的?對此,海姆2008年在接受《科學觀察》采訪時解釋說,除了擁有設備和相關方面的知識,一個重要原因是自己有一種“科研惡習”。他說,“那段時間里,我關注研究碳納米管的那撥人,對他們時不時地聲稱獲得這樣或那樣牛的成果覺得惡心。我想,我可以做一點不同于碳納米管的東西,為什么不把碳納米管剖開呢?于是,就有了后來的研究。”

起初,海姆請實驗室新來的一名中國博士生將一塊高定向裂解石墨制成薄膜,要求盡可能薄,并給了他一臺精巧的拋光機。三周后,這名博士生拿著培養皿來見海姆,說他成功了。海姆用顯微鏡一看,那些石墨碎片估計仍有1000層左右。海姆希望他能將石墨碎片研磨得更薄一些,但這名博士生最后說:“如果你這么聰明,就自己試試。”于是這成了一個轉折點,海姆決定自己來試試,他就用透明膠帶來做這件事。

如今,海姆所用的方法,被業界戲稱為“透明膠帶技術”。由于層間的作用力非常弱,石墨很容易剝落脫離。將石墨放在透明膠帶上,反復撕拉10～20下左右,就獲得了10層左右的石墨——這正是海姆當初的實驗,他們并沒有直接獲得石墨烯,但10層左右的石墨就已表現出了足夠特殊的物理性能。

海姆曾用磁性克服重力,讓一只青蛙漂浮在半空中,因此獲得了2000年的“搞笑諾貝爾獎”。諾貝爾基金會也形容這對師徒“把科學研究當成快樂的游戲”。海姆則說,他的研究風格,是對“search”更感興趣而非“research”。

另一位獲獎者諾沃肖洛夫出生在前蘇聯,他在荷蘭奈梅亨大學攻讀博士學位時遇見了同為俄裔科學家的海姆,此后一直追隨他。

應用:從芯片到太空電梯

由單層碳原子組成蜂窩狀晶格結構的石墨烯,目前被世界公認為是最薄和最堅硬的材料。但在中科院微電子所所長葉甜春看來,更關鍵的是它的載流子遷移率非常高,大于硅材料的100倍。

根據英特爾聯合創始人提出的摩爾定律,集成電路上可容納的晶體管數目,約每隔18個月至兩年便會增加一倍,性能也將提升一倍。但摩爾定律有個“天花板”:隨著技術進步,當芯片的特征尺寸小到只有10個納米左右時,便可能達到了硅晶體管制造的極限。小于這個尺寸,硅材料較低的載流子遷移率等特性使摩爾定律面臨嚴峻挑戰。

“由于石墨烯的載流子遷移率非常高,用它制成的新一代超大規模集成電路芯片的運行速度將更快、體積更小、更省電。這種進步將是革命性的,因為硅芯片的工作頻率一般只有幾百至幾千兆赫茲,最高也只達到幾萬兆赫茲,而石墨烯芯片的頻率將可達幾十萬兆赫茲甚至更高。”

石墨烯的應用領域不只限于微電子芯片,從柔性電子產品到智能服裝,從可折疊顯示器到有機太陽能電池、超輕型飛機材料和防彈衣,甚至未來的太空電梯都可以以石墨烯為原料。

正因石墨烯有著如此令人神往的應用前景,兩位研究者從第一篇論文發表到獲獎,只用了6年時間。“這確實比較特殊,”葉甜春評價道。往屆諾獎的大部分獲得者,其研究成果都已發表多年,并已獲得了大范圍的應用,以至于業界笑稱“要想獲諾獎,先要活得長”。

中科院物理所一位副研究員告訴記者,今年4月,諾貝爾基金會曾邀請了一批被它認為在國際上有影響力的學者聚會,該所副所長高鴻鈞便在此之列。會上交流時,高和其他國家的一些科學家們都認為,石墨烯應當有資格獲獎。

商業化:三五年或三五十年

盡管前景光明,石墨烯從發現至今,仍未實現大規模的應用。對此,葉甜春表示,目前主要的困難還是材料和器件的制備和生產技術。撕透明膠帶只是做研究時用的“土辦法”,要想投入商用,就需獲得質量和產量上皆理想的石墨烯材料。

葉甜春介紹說,目前有好幾種制造石墨烯的方法,從實用性角度講最有希望的是“化學氣相沉積”法,即以銅、鎳等過渡族金屬材料為母基來“生長”具有原子級厚度的石墨烯材料。“但目前的技術最多只能生長出4英寸晶圓級石墨烯,無論是在質量還是尺寸上,都與現代芯片制造所需的12英寸材料還有很大差距。”

“石墨烯全面取代硅的時間,還不好預測,也許三五年,也可能三五十年。其實硅芯片技術從出現到發展成熟,也用了五六十年。”上述副研究員表示。不過,葉甜春認為,相比此前被看好的“硅的取代者”碳納米管,石墨烯有可能被更快地投入應用。

于1991年被發現的碳納米管,也曾被業界視為本屆諾獎的熱門候選者之一。之所以沒有獲獎,葉甜春指出,可能正因為它的商業化應用還存在很多問題。“但由于石墨烯二維的平面結構與現有的硅基芯片技術兼容性好,使其芯片的制造將有可能基于現有硅芯片的制造技術,而不用像碳納米管那樣,需重起爐灶。”

在對石墨烯的研究上,國內做到了及時跟進,進展差不多跟國外處于同一水平上,中科院與一些高校有多個項目都在同時進行。微電子所已在實驗室條件下研制出了石墨烯器件。而中科院物理所則與今年的諾獎得主海姆一直有實質性的合作。

值得一提的是,海姆于2004年發表的第一篇關于石墨烯的論文,共有9名作者,其中署名第四和第五位都是中國留學生。★