中国研究石墨烯特性的论文

来源丨DeepTech深 科技 （ID：deeptechchina）

作者丨杨一鸣

近日，中国科学院高鸿钧团队传出喜讯，他们实现了 在石墨烯上高精度的结构制作，精度已经达到了原子的级别。

这样的研究成果不仅显示了研究团队对于纳米结构制作的高超技术，也再次将石墨烯这一纳米器件制作平台推到了科学研究的最前沿，对于可控制造特殊性质的纳米器件，例如量子器件，有重要研究意义。

此项成果以论文的形式发表于 9 月 6 日的 Science 杂志上，高鸿钧院士对DeepTech 表示，在本次工作中，团队利用课题组长期积累的扫描隧道显微学原子操纵技术，实现了原子级精准的石墨烯可控折叠，目前也在尝试六方氮化硼等其他二维材料的可控折叠，以及利用原子级精准的可控折叠技术，构筑更为复杂的二维纳米结构。

据介绍，高鸿钧课题组长期致力于石墨烯的制备、物性研究及潜在应用，是国际上最早的在金属衬底上外延生长高质量、大面积石墨烯的课题组之一。

图 | 麻省理工 科技 评论

在这次重要突破中，如此精细的原子级制作，必定使用了非常高深难懂的手法吧！其实不然，文章的第一作者是来自中科院的陈辉、张现利和张余洋，他们在文中用的词汇是“Origami”——折纸艺术。

事实上，他们只是用 STM（扫描隧道显微镜）将石墨烯折叠了一下。没错，他们登上 Science 的文章，仅仅是将一小块石墨烯折叠了一下，得出了很奇妙的现象。

这种反差萌其实和石墨烯的特色发迹史一脉相承，石墨烯于 2004 年由英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）发现。当时获取石墨烯的方法名称很响亮：“机械剥离法”，也就是从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。

而他们也因为对于石墨烯研究的卓越贡献，于 2010 年被授予诺贝尔物理学奖，那年的诺奖也被称为是“用胶带撕出来”的。只能说我们身边的科学有很多是源于生活，而高于生活的。

折纸艺术 | pixabay

一直以来，石墨烯都被认为是“新材料之王”，这种特殊的材料，也是科学家发现的首批二维材料之一，是由碳原子以 sp² 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

石墨烯突出的特点是，高载流子迁移率、强度高、带隙可调等，是半导体研究、纳米材料研究的热点材料。

其次，石墨烯是制作一系列纳米材料的“母体”，我们能够以石墨烯为“出发点”，制作一系列有独特特性的材料，例如像足球一样的“富勒烯”，可以认为是由石墨烯的片段卷积而成；还有“碳纳米管（CNT）”，可以认为是用石墨烯“卷”起来的。最近，MIT 的研究团队基于碳纳米管制作了一款具有超过 14,000 个晶体管的 16 位微处理器，刚刚登上 Nature 期刊。而按照不同的角度“卷”起来的碳纳米管，它们会有不同的物理特性。

那么，如果能够精确控制制作工艺，在石墨烯这个平台上制作我们想要的纳米材料就具有十分重大的研究意义和广阔的应用前景了，也能为 探索 石墨烯的新性能打开新方向。

如何实现精细操作呢？研究团队选择了可能是当今世上最精贵的仪器——“STM（扫描隧道显微镜）”进行操作，这种基于“量子隧穿效应”的仪器也是当今世上最精密的测试仪器之一，能够 通过仪器中原子尺寸级别的探针与样品之间的相互作用来实现“原子操纵（Atomic Manipulation）”，即对单原子进行移动，并以此制作纳米结构。

曾登上化学高考试题的“中国”，由我国科学家在 199 3年首次利用超真空扫描隧道显微镜技术，在一块晶体硅（由硅原子构成）的表面直接移动硅原子写下了“中国”两字

选择了石墨烯，选择了利器 STM，研究人员就放开手脚大干了一场。他们首先使用 STM 将一小块石墨烯（原文是 graphene island，即石墨烯小岛），进行折叠和展开操作，折叠方向可以是随机的，也可以是精确控制沿着指定方向进行折叠。

这一次的折叠，是当今世界上最小的一次对石墨烯的折叠，并且不仅能折叠，还能复位，如果没有十分精确的控制是不可能完成的。

高鸿钧解释道：“单纯的折叠和复原其实比较快，就是在秒的量级。但是为了实现原子级精度的可控折叠，需要首先在高定向裂解石墨上获得合适尺寸的石墨烯纳米片，我们目前使用的是氢离子轰击技术，一般需要 10 个循环的氢离子轰击，这个过程需要 10 个小时左右。一旦有了我们设计尺寸的石墨烯纳米片，折叠和复原就可以很快，并且成功率也很高，可重复性也非常好。”

STM实现的石墨烯折叠和复原 | Science

接着，研究团队在折叠处发现了具有特殊性质的结构——“褶子”，研究团队将其称为“1D tubular”，如上图中 C 和 D 所示，清晰地记录了这个结构的高度尺寸。他们发现这个结构和碳纳米管结构很类似，都是石墨烯卷起来一样的，那么它的性质会是怎样的呢？

电学测试表明，与碳纳米管类似，这样的结构具有一维材料的特性，电子在这种结构上只能做一维的运动，即向前或者向后。

高鸿钧

但是，该结构与传统碳纳米管相比也略有不同，对此高鸿钧解释道：“利用石墨烯折叠出来的 1D tubular 结构与传统的 CNT 相比，有着自身的特点。从原子结构角度来讲，折叠出来的 1D tubular 是一个非闭合结构，这种非闭合结构也会对其电子结构造成影响，我们的理论计算表明，1D tubular 除了具有传统 CNT 的 1D van Hove 奇点特征以外，还具备一些有限尺寸石墨烯片的电子结构特点。”也就是说， 1D tubular 是利用石墨烯卷起来的非闭合结构，它既有碳纳米管的一些特性，也具有石墨烯的特性。

于是高鸿钧团队开始考虑如何利用这种结构制作器件，根据石墨烯具有的“双晶”特性，他们首先尝试了“ 异质结 ”器件（一个器件由两种不同性质材料组成）的制作。

石墨烯折叠形成 | Science

所谓“双晶”特性，就是一层石墨烯上可能会出现两种排列方向不同的蜂窝结构，即使都是六边形，就好像是用两张饼拼成了一张饼一样（如上图中的 A）。换一种说法，我们也可以认为是在一层双晶石墨烯上能存在两种不同属性的石墨烯，也就是两种不同的材料。

如果我们能够以一种可控的方式将这层双晶石墨烯以一定的角度折叠起来，那么在折叠的地方就能出现两种材料的界面，也就能形成异质结的结构。

这种处于一维结构上的异质结可能会显示出不一样的电子特性，例如文章中报道的局部电子奇点等，也许会成为新型一维器件的制作方式。

对于材料的应用，高鸿钧充满自信地表示：“如果利用双晶石墨烯片进行可控折叠，可以得到传统 CNT 研究中科学家一直想要获得的结构可控的一维纳米线异质结，这样的一维纳米线异质结两端的电子结构可以相差很大，通过精心设计，可以做成传统半导体器件中的 pn 结，进而构建更加丰富的信息功能器件”。

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果壳

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整天不知道在科普些啥玩意儿的果壳

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首先曹原智商非常高，这是他小小年纪考上重点大学的原因，其次，他很有想法，对事物有自己创新的独特的见解。

2018年，年仅22岁的中国天才少年——曹原，登上了全球顶级科学杂志《自然》（Nature）当年影响世界的十大科学人物，而且位于第一位。两年后的现在，曹原又携两篇一作Nature强势归来。

那么，曹原到底是何许人也？他在科学界做出了什么突出贡献呢？

曹原的“开挂”人生很早就开始了，他年仅14岁就进入了中国科学技术大学少年班，19岁开始攻读世界顶级学府麻省理工学院（MIT）的博士学位。曹原从中学时代就对超导现象产生了浓厚的兴趣，读了博士之后，他废寝忘食地在实验室中钻研超导材料，他以石墨烯作为切入点。

石墨烯是近年来研究非常热门的一种材料，目前已被广泛应用于各种领域。石墨烯的结构十分特别，它是由碳原子排列成蜂巢晶格的二维结构，其厚度为一个碳原子，碳原子之间通过共价键紧密结合在一起。

石墨烯的特殊结构使其表现出很多优异的性能，其结构稳定、强度非常高、导热性能好、电阻率极低。考虑到石墨烯的优异导电性能，这种材料被用于超导研究，这也是曹原的研究方向。

曹原通过研究发现，如果偏转两层石墨烯的方向，使其夹角变为度，那么，在开氏度（零下摄氏度）的情况下，石墨烯将会表现出超导特性，这个奇特的旋转角度被称为“魔角”。

看到魔角石墨烯变成超导的温度，大家可能会犯嘀咕了，这个超导温度比绝对零度还高不到2度，远远低于室温，在现实中并没有使用价值。要知道，一些超导材料的超导温度远高于这种石墨烯，最高的已经达到零下23摄氏度。那么，魔角石墨烯又有什么意义呢？

事实上，这种超导石墨烯的意义十分重大，其成果是开创性的，这可能是人类破解超导原理所迈出的重大一步。此前，超导材料的研制都是基于掺杂原理，而魔角石墨烯只是通过简单的角度旋转就能产生超导现象，意味着超导的根本原理或许没有那么复杂。

这让物理学家感到非常兴奋，一个全新的高温超导研究方向就此开启。如果基于此能够最终揭开超导之谜，研制出常温超导材料，这个世界将会发生翻天覆地的变化。

正因为意义重大，曹原的研究很快就发表在《自然》（Nature）杂志上，一口气发了两篇。此后，曹原又继续研究魔角石墨烯，以期进一步揭开超导原理。

经过两年的潜心研究，曹原更加深入地探究了石墨烯的魔角，相关结果又发了两篇Nature论文。也就是说，目前的曹原已经有四篇Nature在手。

对于做科学研究的人而言，Nature和Science杂志无疑是最为顶级的杂志，很多人终其一生都发不了一篇。而曹原今年才24岁，就已经发了四篇。按照这个趋势下去，不要说中科院院士的位置已经预定，有可能就连诺贝尔物理学奖都在向他招手。

比你聪明的人还比你更努力，这也许是“最可怕”的事情，曹原无疑应该成为年轻一代的榜样。

曹原是一个公认的天才，他14岁就能考上中科大，对我国的科研做出了重大贡献。

最近，苏州大学材料与化学化工学部的汪胜教授发表了一篇题为“钯纳米粒子修饰纳米多孔碳作为高效的氢气传感器”的论文。在这项研究中，汪胜教授和他的团队使用钯纳米粒子修饰纳米多孔碳，并将其用于制造高效的氢气传感器。这种传感器可以快速且准确地检测到氢气，具有高灵敏度和较低的检测限值。与传统的氢气传感器相比，这种传感器具有更快的响应时间和更高的稳定性。据研究人员介绍，这种高效的氢气传感器具有广泛的潜在应用，例如工业生产中的氢气检测、水处理、化学反应等领域。此外，在环境保护和能源领域中，这种传感器也有很好的发展前景。汪胜教授的研究成果得到了国内外同行的高度评价，有望为氢气传感器的研发和应用提供重要的参考和指导。

石墨烯目前是一种热门材料，起用途也是它的特性决定的，首先石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；其次作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。应用前景可做"太空电梯"缆线据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为"太空电梯"缆线的制造打开了一扇"阿里巴巴"之门。美国研究人员称，"太空电梯"的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质"石墨烯"完全适合用来制造太空电梯缆线！人类通过"太空电梯"进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。代替硅生产超级计算机科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。光子传感器石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。其它应用石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的万英里长太空电梯成为现实。石墨烯-特性电子运输石墨烯结构示意图在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e2/h,6e2/h,10e2/h....为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。导电性石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electricchargecarrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。机械特性石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些之间在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。电子的相互作用利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ALS）”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。[1]石墨烯-研究成果中国石墨烯薄膜在国家自然科学基金委员会、科技部和中国科学院的资助下，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部研究员成会明、任文才研究小组在石墨烯的控制制备、结构表征与物性的研究方面取得了一系列新的进展，相关的研究成果发表在国际期刊上。该论文被美国化学会的ACSNano杂志选为该期“亮点”进行了重点介绍；同时也被《自然—中国》选为来自中国大陆和香港的突出科研成果，《自然—中国》化学领域的评论员VickiCleave博士撰文写道：“来自中国科学院的任文才、成会明及其合作者提出了一种快速、无损、可进行大面积石墨烯表征的光学方法，该工作有助于确定和制备适于应用的理想石墨烯样品。”韩国韩国研究人员09年7月发现了一种制备大尺寸石墨烯薄膜的方法。由韩国成均馆大学和三星先进技术研究院的研究人员制备出的这种最新石墨烯薄膜有1厘米厚，透光率达80%；在弯曲或延展过程中，它不仅不会断裂，其电学特性也不会有任何改变。他们的这一成果已于1月14日发表在英国《自然》杂志网络版上。[1]石墨烯-应用石墨烯的应用范围很广，从电子产品到防弹衣和造纸，甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。1.可做“太空电梯”缆线据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往太空电梯的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线。人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。2.代替硅生产超级计算机据科学家称，石墨烯除了异常牢固外，还具有一系列独一无二的特性，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料，这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。IBM宣布研发出号称全世界速度最快的石墨烯(graphene)场效晶体管(FET)，可在26GHz频率下运作。该公司研究中心的研究人员并预测，碳元素更高的电子迁移率，可望使该种材料超越硅的极限，达到100GHz以上的速度跨入兆赫(terahertz)领域。石墨烯-荣获诺贝尔奖2010年10月5日，英国曼彻斯特大学的两位科学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈·海姆因在石墨烯方面的研究荣获2010年诺贝尔物理学奖。[2]石墨烯-部分石墨烯研究成果2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上，日本富士通研究所宣布，他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。富士通研究所的研究人员将原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底，在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜。大面积的石墨烯制备一直是个难题。富士通用上述方法制成了高质量的厘米直径的石墨烯膜。在此基础上，再配置电极和绝缘层，制成了石墨烯晶体管。由于石墨烯面积较大，富士通在上面制成了几千个晶体管。石墨烯晶体管比硅晶体管功耗低和运行速度快，可制作出性能优良的半导体器件。如果改进技术后有望进一步扩大石墨烯面积，这样能够制作出更多的晶体管和石墨烯集成电路，为生产高档电子产品创造了条件。2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现，石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜，将红外线照射到石墨烯薄膜上，只需很短时间就能放射出太赫兹光。如果今后能够继续改进技术，使光源强度进一步增大，将开发出高性能的激光器。研究团队在硅衬底上使用有机气体制作一层碳硅化合物。然后，进行热处理，使其生长出石墨烯的薄膜。该石墨烯薄膜只需极短暂的时间照射红外线，就能从石墨烯上发送出太赫兹光。目前，该团队正致力于开发能将光粒封闭在内部，使光源强度增加的器件，期望能够开发出在接近室温条件下可工作的太赫兹激光器。2010年，美国莱斯大学利用该石墨烯量子点，制作单分子传感器。莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦键合，形成石墨烷。石墨烷是绝缘体。氦使石墨烯由导体变换成为绝缘体。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。如果看了以上介绍还有不明白的地方，请详询平顶山市信瑞达石墨制造有限公司