把科研當(dāng)成快樂的游戲

錢 煒

10月5日,瑞典皇家科學(xué)院宣布,將2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家——現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的?對此,海姆2008年在接受《科學(xué)觀察》采訪時(shí)解釋說,除了擁有設(shè)備和相關(guān)方面的知識(shí),一個(gè)重要原因是自己有一種“科研惡習(xí)”。他說,“那段時(shí)間里,我關(guān)注研究碳納米管的那撥人,對他們時(shí)不時(shí)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(diǎn)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?！?/p>

起初,海姆請實(shí)驗(yàn)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(tái)精巧的拋光機(jī)。三周后,這名博士生拿著培養(yǎng)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(jì)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?！庇谑沁@成了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),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(yè)界戲稱為“透明膠帶技術(shù)”。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(fù)撕拉10～20下左右,就獲得了10層左右的石墨——這正是海姆當(dāng)初的實(shí)驗(yàn),他們并沒有直接獲得石墨烯,但10層左右的石墨就已表現(xiàn)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(jiǎng)”。諾貝爾基金會(huì)也形容這對師徒“把科學(xué)研究當(dāng)成快樂的游戲”。海姆則說,他的研究風(fēng)格,是對“search”更感興趣而非“research”。

另一位獲獎(jiǎng)?wù)咧Z沃肖洛夫出生在前蘇聯(lián),他在荷蘭奈梅亨大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)遇見了同為俄裔科學(xué)家的海姆,此后一直追隨他。

應(yīng)用:從芯片到太空電梯

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

根據(jù)英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人提出的摩爾定律,集成電路上可容納的晶體管數(shù)目,約每隔18個(gè)月至兩年便會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍。但摩爾定律有個(gè)“天花板”:隨著技術(shù)進(jìn)步,當(dāng)芯片的特征尺寸小到只有10個(gè)納米左右時(shí),便可能達(dá)到了硅晶體管制造的極限。小于這個(gè)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(yán)峻挑戰(zhàn)。

“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(guī)模集成電路芯片的運(yùn)行速度將更快、體積更小、更省電。這種進(jìn)步將是革命性的,因?yàn)楣栊酒墓ぷ黝l率一般只有幾百至幾千兆赫茲,最高也只達(dá)到幾萬兆赫茲,而石墨烯芯片的頻率將可達(dá)幾十萬兆赫茲甚至更高?！?/p>

石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域不只限于微電子芯片,從柔性電子產(chǎn)品到智能服裝,從可折疊顯示器到有機(jī)太陽能電池、超輕型飛機(jī)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(yīng)用前景,兩位研究者從第一篇論文發(fā)表到獲獎(jiǎng),只用了6年時(shí)間?！斑@確實(shí)比較特殊,”葉甜春評價(jià)道。往屆諾獎(jiǎng)的大部分獲得者,其研究成果都已發(fā)表多年,并已獲得了大范圍的應(yīng)用,以至于業(yè)界笑稱“要想獲諾獎(jiǎng),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(huì)曾邀請了一批被它認(rèn)為在國際上有影響力的學(xué)者聚會(huì),該所副所長高鴻鈞便在此之列。會(huì)上交流時(shí),高和其他國家的一些科學(xué)家們都認(rèn)為,石墨烯應(yīng)當(dāng)有資格獲獎(jiǎng)。

商業(yè)化:三五年或三五十年

盡管前景光明,石墨烯從發(fā)現(xiàn)至今,仍未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)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(chǎn)技術(shù)。撕透明膠帶只是做研究時(shí)用的“土辦法”,要想投入商用,就需獲得質(zhì)量和產(chǎn)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(shí)用性角度講最有希望的是“化學(xué)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?！暗壳暗募夹g(shù)最多只能生長出4英寸晶圓級石墨烯,無論是在質(zhì)量還是尺寸上,都與現(xiàn)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(shí)間,還不好預(yù)測,也許三五年,也可能三五十年。其實(shí)硅芯片技術(shù)從出現(xiàn)到發(fā)展成熟,也用了五六十年?！鄙鲜龈毖芯繂T表示。不過,葉甜春認(rèn)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(yīng)用。

于1991年被發(fā)現(xiàn)的碳納米管,也曾被業(yè)界視為本屆諾獎(jiǎng)的熱門候選者之一。之所以沒有獲獎(jiǎng),葉甜春指出,可能正因?yàn)樗纳虡I(yè)化應(yīng)用還存在很多問題。“但由于石墨烯二維的平面結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的硅基芯片技術(shù)兼容性好,使其芯片的制造將有可能基于現(xiàn)有硅芯片的制造技術(shù),而不用像碳納米管那樣,需重起爐灶?！?/p>

在對石墨烯的研究上,國內(nèi)做到了及時(shí)跟進(jìn),進(jìn)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(gè)項(xiàng)目都在同時(shí)進(jìn)行。微電子所已在實(shí)驗(yàn)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(jiǎng)得主海姆一直有實(shí)質(zhì)性的合作。

值得一提的是,海姆于2004年發(fā)表的第一篇關(guān)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(xué)生?！?/p>