把科研当成快乐的游戏

钱 炜

10月5日,瑞典皇家科学院宣布,将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位科学家——现年52岁的安德烈·海姆和36岁的康斯坦丁·诺沃肖洛夫,以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。

研究:“search”而非“research”

石墨烯是怎么被发现的?对此,海姆2008年在接受《科学观察》采访时解释说,除了拥有设备和相关方面的知识,一个重要原因是自己有一种“科研恶习”。他说,“那段时间里,我关注研究碳纳米管的那拨人,对他们时不时地声称获得这样或那样牛的成果觉得恶心。我想,我可以做一点不同于碳纳米管的东西,为什么不把碳纳米管剖开呢?于是,就有了后来的研究。”

起初,海姆请实验室新来的一名中国博士生将一块高定向裂解石墨制成薄膜,要求尽可能薄,并给了他一台精巧的抛光机。三周后,这名博士生拿着培养皿来见海姆,说他成功了。海姆用显微镜一看,那些石墨碎片估计仍有1000层左右。海姆希望他能将石墨碎片研磨得更薄一些,但这名博士生最后说:“如果你这么聪明,就自己试试。”于是这成了一个转折点,海姆决定自己来试试,他就用透明胶带来做这件事。

如今,海姆所用的方法,被业界戏称为“透明胶带技术”。由于层间的作用力非常弱,石墨很容易剥落脱离。将石墨放在透明胶带上,反复撕拉10～20下左右,就获得了10层左右的石墨——这正是海姆当初的实验,他们并没有直接获得石墨烯,但10层左右的石墨就已表现出了足够特殊的物理性能。

海姆曾用磁性克服重力,让一只青蛙漂浮在半空中,因此获得了2000年的“搞笑诺贝尔奖”。诺贝尔基金会也形容这对师徒“把科学研究当成快乐的游戏”。海姆则说,他的研究风格,是对“search”更感兴趣而非“research”。

另一位获奖者诺沃肖洛夫出生在前苏联,他在荷兰奈梅亨大学攻读博士学位时遇见了同为俄裔科学家的海姆,此后一直追随他。

应用:从芯片到太空电梯

由单层碳原子组成蜂窝状晶格结构的石墨烯,目前被世界公认为是最薄和最坚硬的材料。但在中科院微电子所所长叶甜春看来,更关键的是它的载流子迁移率非常高,大于硅材料的100倍。

根据英特尔联合创始人提出的摩尔定律,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月至两年便会增加一倍,性能也将提升一倍。但摩尔定律有个“天花板”:随着技术进步,当芯片的特征尺寸小到只有10个纳米左右时,便可能达到了硅晶体管制造的极限。小于这个尺寸,硅材料较低的载流子迁移率等特性使摩尔定律面临严峻挑战。

“由于石墨烯的载流子迁移率非常高,用它制成的新一代超大规模集成电路芯片的运行速度将更快、体积更小、更省电。这种进步将是革命性的,因为硅芯片的工作频率一般只有几百至几千兆赫兹,最高也只达到几万兆赫兹,而石墨烯芯片的频率将可达几十万兆赫兹甚至更高。”

石墨烯的应用领域不只限于微电子芯片,从柔性电子产品到智能服装,从可折叠显示器到有机太阳能电池、超轻型飞机材料和防弹衣,甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。

正因石墨烯有着如此令人神往的应用前景,两位研究者从第一篇论文发表到获奖,只用了6年时间。“这确实比较特殊,”叶甜春评价道。往届诺奖的大部分获得者,其研究成果都已发表多年,并已获得了大范围的应用,以至于业界笑称“要想获诺奖,先要活得长”。

中科院物理所一位副研究员告诉记者,今年4月,诺贝尔基金会曾邀请了一批被它认为在国际上有影响力的学者聚会,该所副所长高鸿钧便在此之列。会上交流时,高和其他国家的一些科学家们都认为,石墨烯应当有资格获奖。

商业化:三五年或三五十年

尽管前景光明,石墨烯从发现至今,仍未实现大规模的应用。对此,叶甜春表示,目前主要的困难还是材料和器件的制备和生产技术。撕透明胶带只是做研究时用的“土办法”,要想投入商用,就需获得质量和产量上皆理想的石墨烯材料。

叶甜春介绍说,目前有好几种制造石墨烯的方法,从实用性角度讲最有希望的是“化学气相沉积”法,即以铜、镍等过渡族金属材料为母基来“生长”具有原子级厚度的石墨烯材料。“但目前的技术最多只能生长出4英寸晶圆级石墨烯,无论是在质量还是尺寸上,都与现代芯片制造所需的12英寸材料还有很大差距。”

“石墨烯全面取代硅的时间,还不好预测,也许三五年,也可能三五十年。其实硅芯片技术从出现到发展成熟,也用了五六十年。”上述副研究员表示。不过,叶甜春认为,相比此前被看好的“硅的取代者”碳纳米管,石墨烯有可能被更快地投入应用。

于1991年被发现的碳纳米管,也曾被业界视为本届诺奖的热门候选者之一。之所以没有获奖,叶甜春指出,可能正因为它的商业化应用还存在很多问题。“但由于石墨烯二维的平面结构与现有的硅基芯片技术兼容性好,使其芯片的制造将有可能基于现有硅芯片的制造技术,而不用像碳纳米管那样,需重起炉灶。”

在对石墨烯的研究上,国内做到了及时跟进,进展差不多跟国外处于同一水平上,中科院与一些高校有多个项目都在同时进行。微电子所已在实验室条件下研制出了石墨烯器件。而中科院物理所则与今年的诺奖得主海姆一直有实质性的合作。

值得一提的是,海姆于2004年发表的第一篇关于石墨烯的论文,共有9名作者,其中署名第四和第五位都是中国留学生。★