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石墨烯傳奇-之一
發布日期:2019/9/17 15:26:53  來源:tianrong1945的個人博客  

目錄

引言:神奇的新材料

第一章:背后的故事

1. 何謂石墨烯?

2. 石墨烯之父的隨機漫步

3. 膠帶粘出諾貝爾獎

4. 興旺的碳原子家族

 

第二章:結構決定性質

1. 石墨、鉆石、和石墨烯

2. 奇妙的量子現象

3. 晶體和能帶

4. 導體、絕緣體、半導體

5. 晶體中的自由電子

6. 有效質量和能帶圖

 

第三章:石墨烯和拓撲

………………………… 


引言:神奇的新材料

 

縱觀人類社會的發展,新型材料的發現和使用是非常關鍵和重要的一環。這也是為什么人類歷史長河中的不少階段是以當時使用的熱門材料而命名的。大約在距今250萬年以前,第一批人造的石頭工具在非洲開始出現,一直到大約4000-5000年之前才開始有了冶金技術。因此,考古學家們將最早那一段比兩百萬年更漫長的史前期,稱為石器時代,因為那是早期人類以石頭作為材料制作工具的年代。當然,所謂石器,是廣義的。實際上,木材、骨頭、貝殼、鹿角和其他的天然材料當時也被廣泛地使用。特別是在所謂石器時代的后期,粘土等材質被燒結而制成了陶器,所以如果細分的話,那段短時期可稱為陶器時代。之后,隨著時間的推進,伴隨著一系列冶金技術的發展和革新,人類又經歷了紅銅時代、青銅時代、鐵器時代。再后來,又有了被歷次技術革命所推動的蒸汽時代、電氣時代、原子時代……,直到現在,人類正行進在以硅材料為主導的信息時代。

 

技術推進社會,材料改變時代,這是毋庸置疑的。此外,材料的性能對各種應用技術的安全性至關重要,也是一個不爭的事實。歷史上,以及現代社會,因為材料原因造成的事故不少。人類文明發展史,就是如何改進和創造更多更好的材料、更合理更安全地使用材料的歷史。

 

從一百多年來頒發的諾貝爾物理獎和化學獎中,材料之重要也可見一斑:諾獎得主中,因發現和研究材料而得獎之人,占據了不小的比例。

 

這篇長文將要介紹的材料石墨烯,其發現者榮獲了2010年的諾貝爾物理學獎,是近年來材料研究與諾獎掛鉤的著名例子。英國曼徹斯特大學的兩位教授:海姆和諾沃肖洛夫,在石墨烯材料方面進行的卓越研究,開啟了新型二維納米材料研究應用之大門。

 

什么是二維納米材料呢?首先解釋“二維”在這兒的意思。眾所周知,我們生活在一個三維空間中,任何具體的物體,包括材料,都應該是三維的。即使是一張紙,有長度、寬度之外,還有厚度。這個“長、寬、厚”便是3個空間維度大小的體現。

 

不過,這兒所謂“材料”,指的是晶體電子材料。維數被定義為材料中電子自由運動的維度范圍。也就是說,如果電子可以在(xyz3個方向自由運動,則是3維材料。如果電子只能在2維晶格中的(xy)平面上自由運動,而是2維材料。相應地,1維材料便意味著電子只能在一條直線上運動,而0維材料中的電子被束縛在空間中的一個點。

 

電子自由運動的范圍,與材料的空間尺寸有關。例如,將材料在z方向切成薄片,使得電子z方向運動受到限制。這種材料片薄到一定的程度時便能被看成是2維材料。

 

要多薄才算2維呢,實際上是因具體情況而定的,這也就是“納米”一詞所表達的意思。

納米(nanometer,簡寫為nm),是一個很小的長度單位:1 nm = 0.000000001 m。所謂納米材料,一般指結構尺寸在0.1100納米范圍內的材料。

 

納米技術為研究納米材料之技術。其目標是利用對單個原子或分子直接操作的技術,來研究和構造新型物質結構。

 

石墨烯并不是在實驗室里用納米技術操縱單個原子制造出來的,但它在尺度和結構上屬于2維納米材料。如此的薄片結構,使得石墨烯具有很多優異的特性,如高導電性、高比表面積、高導熱性和優異的機械性能等,在很多領域都有很好的應用前景。石墨烯的發現大大地促進了納米材料合成技術的發展。其原理涉及量子理論、狹義相對論、以及拓撲學。這個來自“象牙塔”的新材料,不僅是材料學家的寵兒,工程應用方面大有用武之地,還有助于人們對量子理論的深入探究,為物理學發展和突破作出貢獻。因此,石墨烯及其它納米材料,成為近年來備受關注的研究課題,其研究和應用之熱潮至今未衰。

 

有關石墨烯的性質和理論,大多數人只是知其然而不知其所以然。有關石墨烯的應用,則由于媒體報道中的諸多炒作夸大之詞,給公眾造成了許多混淆和疑惑。

 

那么,石墨烯到底是什么?有何神奇之處?與其相關的物理原理和應用前景究竟如何?本文以通俗的語言,深入淺出地為公眾解釋這種新材料,還其物理本質。通過石墨烯的發現過程,為讀者講述有關研究者們饒有趣味且頗具傳奇色彩的科研故事。幫助研究開發人員廣開思路,有所啟發,將這種新材料進一步發揚光大,造福人類。石墨烯的特殊性質,來源于它的二維晶體結構。特別是其電子輸運性能,與其能帶結構密切相關,因此,文中也簡要地介紹了一點量子論、固體物理及能帶論的知識,從而解釋石墨烯能帶狄拉克錐的相對論特性,然后,介紹石墨烯與拓撲學的關系。最后,簡要介紹石墨烯的應用。

 

第一章:背后的故事


如果讓你想象一種世界上最薄的材料,你會認為它的厚度是多少?你的想象不會是毫無根據的憑空猜測,因為你已經具有現代科學的基礎知識。高中化學課本告訴我們:化學元素可分割的最小單元是原子。那么,大多數人自然可以得出結論,最薄的穩定固體材料應該是由一層原子構成的吧!想到這兒,也許你會有點興奮,哇,用單個原子層構成的材料!它的厚度將是多少?它會有哪些奇特的性質?又如何將這種材料制造出來,應用于技術中呢?


要回答上述問題,還得看看構成這種材料的基礎原子是什么?構成的方式如何?不過,現代的科學技術已經給我們提供了一個絕佳的例子,這種最薄的材料已經被發現或“制備”出來了,對它的研究開發已經有了十多年的歷史,它正在一步一步地尋求更廣闊的應用方向,逐漸走向我們的生活,這種材料就是我們將要開始向大家介紹的“石墨烯”。


1. 何謂石墨烯


理想的石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢網狀晶格結構,看上去就像由六邊形網格構成的平面(或近似于平面)。每個碳原子通過三個共價鍵與周圍碳原子構成正六邊形,如圖1-1-1所示。單層石墨烯的厚度僅為0.335nm(納米),約為頭發絲直徑的二十萬分之一,是世界上最薄的材料。


1-1-1:石墨烯的六邊形網狀結構


為什么把它叫做石墨烯?因為它來自石墨,也就是人人都熟悉的鉛筆筆芯所用的那種材料。鉛筆的名字是個歷史的誤會,事實上,鉛筆芯中并沒有鉛,它的主要成分是石墨,而石墨是由碳原子構成的。


早在公元16世紀,英國人在一個叫巴羅代爾(Borrowdale)的地方,發現了某種大量的黑色礦藏,這種礦石黑黝黝、油光光的,當地的牧羊人常用它在羊身上畫記號,用以確定是誰家的羊?哪一只羊?發現礦藏的幾個文化人受此啟發,心想:這玩意兒能在羊皮上畫,也應該能在紙上留下痕跡吧,可以用來寫字啊!不過,他們當年誤以為這是與古羅馬人用紙包著寫字的鉛是同一種東西,只是比鉛更軟更黑,寫出來的字清楚漂亮多了,于是,他們將這些黑色礦石稱作“黑鉛”,實際上就是我們現在所說的“石墨”。不久之后,英王喬治二世索性將巴羅代爾石墨礦收為皇室所有,把它定為皇家的專利品。1761年,德國化學家法伯將石墨變成石墨粉,同硫磺等其它物質混合制成一條一條的成品,再將它們夾在木條中,成為最早的鉛筆。從那時候開始,鉛筆工業便隨著巴羅代爾石墨礦的開采而興旺發達起來。現在,400多年過去了,你如果到巴羅代爾旅游,還可以見識到附近Keswick的博物館里,陳列展示著一只號稱世界最大的鉛筆,記錄著這段歷史的痕跡,“鉛筆”這名字也就將錯就錯,沿用至今。


一直到了1779年,瑞典化學家謝勒(Carl Scheele)才發現黑鉛并非鉛,而是由碳原子構成的,之后,德國地質學家沃納(Abraham Gottlob Werner)將這種物質的名字從黑鉛改為石墨(Graphite),因為這個單詞在希臘文中表示“書寫”的意思。智慧的中國人將它翻譯成漢語“石墨”一詞,意即“石中之墨”,也可謂言簡意賅、準確無誤。


英國人在巴羅代爾發現的石墨,讓商人賺滿了錢包,也讓鉛筆走向世界,為傳揚人類文化立下汗馬功勞。不過,他們可能萬萬沒有想到,當今的科學家,從那黝黑柔軟的石墨中,制造出了一種超薄超強又超透明的材料。這就是石墨烯,那個“烯”字從何而來呢?是源于化學中對單原子層結構的描述。


如今,我們初步認識了石墨烯之后,再倒回頭去看石墨的結構,發現原來它就是一層一層重疊起來的石墨烯,猶如重疊起來的一副撲克牌。換言之,石墨烯是石墨結構中最薄的一層。當我們用鉛筆在紙上輕輕一劃,沒準兒就制造出了一小片石墨烯!見圖1-1-2


1-1-2:從石墨到石墨烯

 

石墨烯雖然是石墨中的一層,但絕不是石墨!盡管它們的名字也只差一個字,但這一字之差卻決定了它們性能及其制備難度上的天壤之別。石墨是石墨礦中開采出來粗加工產品,石墨烯卻是象牙塔中走出來的難得的新材料,不可以假亂真!


實際上,理論物理學家在早期并不看好這種單原子層的2維材料,認為它們是不穩定的。前蘇聯有一位著名的理論物理學家列夫·朗道(Lev Landau1908年-1968年),在上世紀30年代就從理論上證明了2維晶體的不穩定性1,認為二維材料在常溫下無法存在于自然界中。


朗道是研究晶體的專家,固體物理及凝聚態物理的奠基人,他的觀點和判斷非同小可,從而使得大多數人都在二維材料的實驗開發中望而卻步:既然不穩定,又何必花功夫去尋尋覓覓呢。


盡管朗道預言二維晶格難以孤立存在,也總是有人嘗試制造出2維材料來。即使它們不穩定,也可以想辦法探索研究一下其中有些什么新的物理特性吧,況且,就如今制取得到的石墨烯單層原子二維晶體而言,都是附于某種“襯底”之上的,并不需要完全單獨地漂浮于空中。


(未完待續)


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