石墨烯:打开二维材料之门——评2010 年诺贝尔物理学奖.pdfVIP

石墨烯:打开二维材料之门——评2010 年诺贝尔物理学奖.pdf

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石墨烯:打开二维材料之门 ——评 2010 年诺贝尔物理学奖 范桂锋 朱宏伟 维度是指能够完整描述一个对象所必需的独立 完善了碳材料的维度结构体系,打开了二维材料之 参数的个数。例如,我们所处的空间是三维的,因 门,使人们得以在二维尺度空间研究材料的特殊性 为描述这个空间需要“上下、前后、左右”三个独 能。由于在石墨烯的发现、开创性实验及对后续研 立方向。维度的概念被广泛应用于数学、物理学和 究中所发挥重大引领作用,盖姆和诺沃肖洛夫在 哲学等诸多领域中。在材料研究领域,人们希望得 2010 年荣获诺贝尔物理学奖。 到维度意义完整的材料体系。长期以来,对于碳材 料家族,只有金刚石和石墨这两种三维结构为人类 所知。1985 年,美国和英国的三位科学家哈瑞 ·克 罗托(Harry Kroto )、理查德 ·斯莫利(Richard Smalley )和罗伯特 ·科尔(Robert Curl )率先发现 了 C60 。C60 是由 60 个碳原子组成 20 个六边形和 12 个五边形构成的足球状碳单质,属于零维结构碳材 料。C60 其实是众多球状和椭球状碳分子大家族中的 一员,我们现在称这个大家族为“富勒烯”。富勒烯 的发现第一次从维度概念上丰富了碳材料。1991 年,日本科学家饭岛澄男(Sumio Iijima )试图使用 石墨电弧放电法来制备富勒烯,当他在高分辨透射 电子显微镜观察产物时意外地发现了一种管状的碳 图 1 石墨烯 单质——碳纳米管。碳纳米管的出现再一次将碳材 料的维度扩展到一维空间。当零维、一维和三维的 用胶带“撕出”诺贝尔奖 碳材料被成功合成后,揭示已知维度碳单质的性能 盖姆等人采用了一种微机械剥离法分离制备出 和应用并探寻碳的二维晶体结构,成为材料科学领 石墨烯。该方法十分简单巧妙,首先将具有多层结 域的两个热点。 构的高定向热解石墨剪裁成较小的碎片。然后挑选 二维晶体是指以一个平面结构的形式存在的晶 出其中较薄的碎片,用胶带粘住,把有黏性的一面 体,可以理解为将三维晶体减薄至一个可以忽略的 对折,再把胶带撕开,石墨薄片就会一分为二。不 极限厚度,例如一个原子层厚。早在 70 多年前,寻 断重复这个过程,石墨片越来越薄,最终即可得到 找二维晶体结构的工作就已开始,但对其实际存在 只有一层原子厚度的石墨烯。有趣的是,这个剥离 的可能性,科学界一直存在着争论。传统理论认为, 过程与我们平常用铅笔写字很类似。当铅笔在纸上 准二维晶体结构因为本身的热力学不稳定性,在通 划过留下字迹的时候,铅笔芯内的石墨晶体受到纸 常条件下会迅速分解,因此自然界中根本不可能找 面的作用力,层与层之间发生滑动,就会产生薄层 到稳定存在的二维晶体材料。直到 2004 年,英国的 石墨,甚至在字迹里会找到石墨烯。这主要是因为 两位科学家:安德烈 ·盖姆(Andre Geim )和康斯 石墨晶体具有独特的分层结构,层间结合力弱而层 坦丁 ·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov )首次从 内的原子结合力强,因此能够在外力作用下打破层 高定向热解石墨上成功分离出单层石墨片——石墨 间结合力,同时保证单层二维层面的完整性。这个 烯(graphene ,图 1),打破了理论预言,不但用事 过程就像用力撕一本书,由于每一页之间结合力较 实证明了二维材料可在常温常压下稳定存在,并且 小,纸张又比较强韧,所以可以撕出完整的一页纸, 22 卷第 6 期 ( 总 132 期)

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