石墨烯的超導(dǎo)性被發(fā)現(xiàn)

 

　　而物理材料不同，導(dǎo)電性也不同，目前想要實現(xiàn)物體超導(dǎo)性能，一般只有在低溫或者高溫的情況下才會出現(xiàn)，常溫狀態(tài)下超導(dǎo)性能的材料并不多。在2016年日本東京大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)將兩片石墨烯構(gòu)建成一個類似夾心餅干似的結(jié)構(gòu)，在石墨烯片中插入了一些鈣原子之后驚奇地發(fā)現(xiàn)，這個結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超導(dǎo)特性，但是遺憾的是該超導(dǎo)電現(xiàn)象是發(fā)生在-269攝氏度（4K）左右。

 

　　在這里不得不說一位在美國麻省理工學(xué)院攻讀博士的中國學(xué)生曹原，他在一次對堆疊的雙層石墨烯進行考察研究的時候，想看看把其中一層石墨烯進行極小角度偏移的時候會發(fā)生什么現(xiàn)象，然后通過微扭不同的角度，發(fā)現(xiàn)在一些特定的角度下，原本導(dǎo)電的石墨烯居然變成了絕緣體。這種有趣的現(xiàn)象，讓他嘗試著繼續(xù)扭動著雙層石墨烯讓他變成超導(dǎo)體，沒想到的是居然真的實現(xiàn)了。截止今年5月份，曹原與其博導(dǎo)已經(jīng)連續(xù)發(fā)表了兩篇自然文章介紹了魔角石墨烯研究的新突破，讓人不可置信的是，這時候的曹原只有24歲。

 

　　石墨烯是什么

 

　　石墨是什么，其實石墨在我們的生活中非常常見，就連我們的經(jīng)常使用的鉛筆，里面的筆芯就是石墨，但是它和石墨烯有什么關(guān)系呢，我們都知道，物質(zhì)是由不同的元素構(gòu)成，雖然原子相同，但是表現(xiàn)的特性卻并不同，比如我們生活中需要的氧氣（O2）和臭氧（O3），雖然都是由氧原子構(gòu)成的，但是氧氣可以讓我們生存，并且無色無味，而臭氧卻是完全不同的特性，我們把這種稱之為“同素異形體”。

 

　　而石墨也是一種“同素異形體”，因為碳原子結(jié)構(gòu)的不同，在晶體中同層碳原子間以sp2雜化形成共價鍵，每個碳原子與另外三個碳原子相連，六個碳原子在同一平面上形成正六邊形的環(huán)，伸展形成片層結(jié)構(gòu)。那我們常說的石墨烯是什么，和石墨有什么區(qū)別呢？其實石墨烯在英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

 

　　石墨烯在生活中的應(yīng)用

 

　　石墨烯被稱之為世界上最輕、最強、最薄的材料，雖然厚度只有0.2nm左右，但是它的強度比最好的鋼材都要強上200倍，導(dǎo)電性是硅的100倍(就電子遷移率而言)；而且其韌性也非常強，拉伸的幅度能夠達(dá)到自身的尺寸的20%左右，使用其做的防彈衣或者裝甲、超級吊繩常用的材料，不光輕便，而且強度也非常高。石墨烯是從石墨材料中剝離出來的，由碳原子以sp雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，石墨烯就是相當(dāng)于切薄的石墨材料，1mm厚度的石墨大約就包含有300萬層的石墨烯。

 

　　石墨烯除了韌性好強度高，其實還具有非常好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，被稱之為21世紀(jì)最神奇的材料，在太陽能技術(shù)、快速充電技術(shù)、新材料電池等領(lǐng)域的應(yīng)用中，石墨烯也發(fā)揮著其重大的作用，美國麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，石墨烯太陽能技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%，是現(xiàn)有多晶硅太陽能技術(shù)的2倍。

 

　　美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員也開發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍。而最讓人吸引眼球的亮點是石墨烯電池，曾經(jīng)西班牙一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作開發(fā)出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘，石墨烯確實是一種神奇的材料。

 

　　首例石墨烯芯片誕生

 

　　石墨烯在慢慢的發(fā)展中，也將成了硅材料的替代品，由于硅材料的本身特性限制，使得目前硅基芯片的繼續(xù)提升性能越來越難，目前臺積電也在進行著2nm工藝硅基芯片制作工藝的研究，而2nm也被網(wǎng)友們稱之為硅基材料的極限，科學(xué)家們也都在尋求一種新的芯片材料，而正在風(fēng)口上的石墨烯材料必然備受關(guān)注。美國《大眾科學(xué)》網(wǎng)站近日報道，2012年，美國IBM公司就曾成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路，據(jù)了解，該芯片是建立在碳化硅上，通過石墨烯場效應(yīng)管組成的，其工作頻率可以達(dá)到100G赫茲，雖然這款芯片的工藝只有550納米，也是人類成功制造出的第一塊石墨烯芯片。

 

　　未來芯片的布局

 

　　2017年2月，央視新聞頻道在播出了《神奇的石墨烯》專題節(jié)目中提到，石墨烯有望替代硅成為下一代芯片的主要材料。利用石墨烯制造新一代電子器件，有望使我國在芯片制造業(yè)彎道超車，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。不負(fù)眾望，北京大學(xué)張志勇、彭練矛課題組在美國著名《科學(xué)》專刊中發(fā)表論文稱：通過使用碳納米管在4英寸基底中獲得了間隔為5nm的垂直有序排列的碳納米管陣列。成功搭建出新一代碳基集成電路，而碳納米管的制作就是通過石墨烯卷曲而成。這也是一種以碳基為主材料的芯片，被網(wǎng)友們稱之為碳基芯片。

 

　　雖然石墨烯有著美好的應(yīng)用場景，但是從實驗室走上商用化，還有很長的路要走。通過對石墨烯的的研究發(fā)現(xiàn)，這種材料確實可以稱得上是21世紀(jì)最神奇的材料，使用石墨烯可以制作出柔性彎曲的屏幕，還可以讓電動汽車的充電時間縮短到幾個小時甚至幾十分鐘。而在集成電路的應(yīng)用中，因為其超強的導(dǎo)電性，也被意為下一代原材料的首選。但由于常溫下制作高純度的石墨烯成本太高，技術(shù)并不成熟，而只是更多地被當(dāng)作一種添加劑使用，這也限制了石墨烯向更高領(lǐng)域的發(fā)展，當(dāng)然在石墨烯的研發(fā)應(yīng)用中，各國也都在抓緊研發(fā)，相信在未來不久，石墨烯的制作工藝能迎來新的突破，石墨烯材料能更一步造福人類。