麻省理工學(xué)院的Pablo Jarillo-Herrero教授及其團(tuán)隊(duì)在《Nature》上發(fā)表了題為《The Discovery That Stuck — 20 Years of Graphene》的觀點(diǎn)論文。該論文回顧了石墨烯發(fā)現(xiàn)的20年歷程，強(qiáng)調(diào)了這一二維材料在物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的重要性。石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)，如超高強(qiáng)度、優(yōu)異的電導(dǎo)性以及量子特性，推動(dòng)了眾多研究方向的發(fā)展，特別是在“扭曲雙層石墨烯”領(lǐng)域的突破，展示了電子行為的調(diào)控潛力。Jarillo-Herrero教授團(tuán)隊(duì)的工作不僅深化了我們對(duì)二維材料的理解，還為未來(lái)納米技術(shù)和電子器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這篇論文在慶祝石墨烯發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，也展望了二維材料研究的未來(lái)，激勵(lì)著全球科研人員繼續(xù)探索這一充滿潛力的領(lǐng)域。

在物理學(xué)中，有一個(gè)定理認(rèn)為，量子漲落會(huì)阻礙二維材料（如晶體）形成有序結(jié)構(gòu)。想象一下，當(dāng)審稿人首次閱讀一篇關(guān)于原子級(jí)薄膜石墨烯不僅存在，而且在室溫下也非常穩(wěn)定并能良好導(dǎo)電的論文時(shí)，他們面露困惑的神情。是什么阻止了這些碳原子層在環(huán)境中融化或碎裂？顯然，現(xiàn)實(shí)生活并不總是遵循數(shù)學(xué)定理的假設(shè)。審稿人最終達(dá)成了一致，20年前，Novoselov等人在《Science》雜志上發(fā)表了一篇論文，證明了“石墨烯”層的存在。

一、石墨烯的首次成功分離

圖1 | 二維奇跡材料。a. 2004年，Novoselov等人發(fā)現(xiàn)他們可以使用膠帶從石墨晶體上剝離碳原子層，以隔離稱為石墨烯的材料，基本上是二維的。他們還發(fā)現(xiàn)，石墨烯是一種優(yōu)秀的電導(dǎo)體。b. 自那時(shí)以來(lái)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)和其他研究人員揭示了石墨烯的更多驚人特性。例如，當(dāng)兩層石墨烯堆疊在一起并旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們形成一種“扭轉(zhuǎn)雙層”，與單層不同，它可以是電絕緣體或超導(dǎo)體（電阻為零）。

這篇開(kāi)創(chuàng)性的論文在多個(gè)方面打破了傳統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)。首先，作者采用的分離單層碳原子（石墨烯）或少層石墨烯（FLG）的方法令人驚嘆。該方法簡(jiǎn)單且富有創(chuàng)意，利用普通的粘膠帶從石墨晶體上“撕”下原子層，然后將粘膠帶按在基底上。令人驚訝的是，當(dāng)研究人員撕下粘膠帶時(shí)，發(fā)現(xiàn)基底上布滿了薄薄的石墨片，包括石墨烯和FLG。時(shí)至今日，許多研究小組，包括我的團(tuán)隊(duì)，仍然使用這種簡(jiǎn)單的機(jī)械剝離方法來(lái)分離石墨烯。

二、可視化與性能特征

其次，Novoselov等人運(yùn)氣不錯(cuò)，石墨烯和FLG片可以用簡(jiǎn)單的光學(xué)顯微鏡肉眼觀察到。這使得作者能夠快速直觀地可視化機(jī)械剝離實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并通過(guò)測(cè)量光學(xué)對(duì)比度來(lái)表征薄片的厚度。光學(xué)顯微鏡至今仍是成像石墨烯及許多后續(xù)發(fā)現(xiàn)的“二維材料”的最常用方法。隨著技術(shù)的進(jìn)步，尤其是人工智能的輔助，這種顯微鏡能夠以高精度自動(dòng)識(shí)別和計(jì)數(shù)材料層數(shù)。

第三，F(xiàn)LG薄片在環(huán)境條件下非常穩(wěn)定，尤其是在標(biāo)準(zhǔn)納米加工過(guò)程中。這意味著它們?cè)谂c電極連接的過(guò)程中不受影響，Novoselov等人因此展示了FLG薄片良好的電導(dǎo)性。此外，由于石墨是一種稱為半金屬的材料，F(xiàn)LG薄片中的電荷載流子密度較典型金屬低。這使得作者能夠構(gòu)建電氣阻力可以通過(guò)改變相鄰金屬電極施加電壓來(lái)變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)的器件。

三、量子現(xiàn)象與新發(fā)現(xiàn)

最終，當(dāng)Novoselov等人冷卻他們的FLG樣品并施加強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，他們觀察到電阻表現(xiàn)出量子振蕩，這是許多量子系統(tǒng)常見(jiàn)的特性。這意味著這些薄片有潛力（在隨后的研究中得到了證明）實(shí)現(xiàn)新的量子現(xiàn)象和器件。

盡管這一突破令人矚目，但公認(rèn)的是，2004年這篇論文的影響直到次年才得到了充分的認(rèn)可。當(dāng)時(shí)，兩篇論文被發(fā)表，其中一篇由Novoselov及其同事撰寫(xiě)。這兩篇論文表明，單層石墨烯中的電子行為類似于質(zhì)量為零的粒子，以與其能量無(wú)關(guān)的恒定速度移動(dòng)；在某些方面，它們更像是在高能物理加速器中飛行的粒子，而不是晶體固體中的電子。同年，Novoselov和同事還證明了粘膠帶剝離法可以用于分離多種超薄晶體薄膜。二維材料研究的序幕由此拉開(kāi)，Konstantin Novoselov和Andre Geim因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰他們?cè)谑┻@一二維材料方面的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。

四、石墨烯的超凡特性與應(yīng)用前景

2004年的這篇論文對(duì)凝聚態(tài)物理和材料工程領(lǐng)域的影響難以低估。它在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中被引用超過(guò)5萬(wàn)次，成為歷史上被引用最多的物理論文之一，反映了全球成千上萬(wàn)的研究小組開(kāi)始投身于二維材料研究。這些研究者不僅包括物理學(xué)家，還有化學(xué)家、材料科學(xué)家、電氣工程師，甚至醫(yī)學(xué)專家。究其原因，部分源于石墨烯的超凡特性：它是最強(qiáng)、最薄的材料，且是熱和電的最佳導(dǎo)體。此外，石墨烯并非唯一的二維材料，這意味著無(wú)數(shù)不同的研究方向都可以追溯到Novoselov及其同事的初步發(fā)現(xiàn)。

如今，二維材料家族不僅包括絕緣體、半導(dǎo)體、晶體磁體、晶體鐵電體（顯示自發(fā)電極化的材料）、超導(dǎo)體（零電阻材料），而且這一列表還在不斷擴(kuò)展。在許多情況下，這些二維晶體的行為與其三維對(duì)應(yīng)物大相徑庭，而且它們往往更容易“調(diào)諧”（例如，通過(guò)改變層數(shù)或電荷載流子密度）。因此，研究人員預(yù)測(cè)了許多潛在的科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用，其中一些應(yīng)用已開(kāi)始逐漸實(shí)現(xiàn)，如超靈敏的化學(xué)和生物傳感器、紅外相機(jī)等。

五、異質(zhì)結(jié)構(gòu)與新興領(lǐng)域

二維材料的另一個(gè)關(guān)鍵特性是，它們可以相互疊加形成“異質(zhì)結(jié)構(gòu)”，這種結(jié)構(gòu)在某些方面類似于用樂(lè)高積木搭建的結(jié)構(gòu)。然而，樂(lè)高積木必須精確疊加在一起，而二維材料卻沒(méi)有這樣的限制：它們可以以任意的扭轉(zhuǎn)角度疊加。這些扭曲的異質(zhì)結(jié)構(gòu)與其組成層的性質(zhì)可能會(huì)有顯著不同。例如，約1度的扭曲角度可以使疊加的石墨烯片（既不是絕緣體也不是超導(dǎo)體）形成一種表現(xiàn)出絕緣和超導(dǎo)行為的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這得益于其電子之間的相互作用。

這一領(lǐng)域被稱為“扭曲電子學(xué)”（twistronics），或稱為莫爾量子物質(zhì)（moiré quantum matter），因?yàn)閮蓚€(gè)晶格的疊加形成了稱為莫爾晶格的干涉圖案。過(guò)去六年中，扭曲電子學(xué)的研究人員幾乎實(shí)現(xiàn)了已知的所有量子物質(zhì)相態(tài)，并且經(jīng)常發(fā)現(xiàn)具有非常規(guī)特征的新量子相和效應(yīng)，包括去年在扭曲的莫爾異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的分?jǐn)?shù)量子異?；魻栃?yīng)。

六、未來(lái)展望

從20年前的首次發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，這一旅程遠(yuǎn)未結(jié)束，二維材料的研究仍在不斷增長(zhǎng)。研究人員在這些材料的基礎(chǔ)上，正在以驚人的速度取得關(guān)于基本物理的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，這讓人充滿樂(lè)觀。例如，手性（chirality）是一種影響許多物理系統(tǒng)行為的性質(zhì)，在化學(xué)和生物學(xué)中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而這一特性可以在扭曲的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中得到探索和精確調(diào)控。

在技術(shù)層面上，盡管前景樂(lè)觀，但仍需謹(jǐn)慎看待。大規(guī)模生長(zhǎng)高質(zhì)量石墨烯及其他二維材料的技術(shù)正在快速進(jìn)步，工程師們也越來(lái)越傾向于將這些材料納入器件制造平臺(tái)。然而，除了石墨烯外，二維樣品的質(zhì)量仍需進(jìn)一步提升，并且需要實(shí)現(xiàn)對(duì)具有任意扭轉(zhuǎn)角度的微型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化制造。這些努力將需要大量資源以及物理學(xué)家、化學(xué)家和工程師的全力創(chuàng)新。但其回報(bào)可能是巨大的，或許會(huì)為未來(lái)數(shù)十年內(nèi)一整個(gè)納米技術(shù)的世代鋪平道路。

石墨烯及其二維材料的研究是當(dāng)今科學(xué)界的一場(chǎng)革命。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)物理理論，還為材料科學(xué)、電子工程和納米技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的機(jī)遇。隨著研究的深入，我們期待石墨烯及其他二維材料在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更多突破，開(kāi)辟新的應(yīng)用前景。

The discoverythatstuck-20 yearsofgraphene，Nature 634, 789-790 (2024)?