通常情況下，膠帶不會被看作是一種具有科學(xué)突破性的進(jìn)展。但是當(dāng)英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov）（兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎）2004年與同事在《科學(xué)》雜志發(fā)表了他們的研究成果——即用透明膠帶從一塊石墨烯上剝落碳原子的單原子薄片，這一研究緩緩拉開了材料學(xué)革命的序幕。
自上述曼徹斯特研究團(tuán)隊發(fā)表其研究成果的11年來，相關(guān)領(lǐng)域的研究成果呈指數(shù)增長，去年，全球研究人員發(fā)表的關(guān)于石墨烯的研究成果超過1.5萬項。這種現(xiàn)象很合乎情理：石墨烯是迄今為止制作的最輕材料，它的強(qiáng)度是鋼的100倍，比銅的導(dǎo)電性、柔韌性更好，而且很大程度上是透明的。研究人員設(shè)想了未來以石墨烯為基礎(chǔ)建造的每樣產(chǎn)品，如從下一代計算機(jī)芯片和柔性顯示器到蓄電池和燃料電池。
然而，石墨烯可能不會通過其自身作為一種理想材料來實現(xiàn)未來的巨大影響，而是通過它衍生的產(chǎn)物。盡管石墨烯有著許多令人眼花繚亂的優(yōu)點，但它也有缺點，尤其是不能充當(dāng)半導(dǎo)體——這是微電子的基石?，F(xiàn)在，化學(xué)家和材料學(xué)家正在努力越過石墨烯，尋找其他的材料。他們正在合成其他兩種兼具柔韌性和透明度，而且擁有石墨烯無法企及的電子特性的二維片狀材料，他們已經(jīng)把其中一些轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆漭p量性和柔韌性的快速電子和光學(xué)設(shè)備，他們希望，這些材料可以作為未來產(chǎn)業(yè)的支柱。
石墨烯，打開二維材料新視野
從某種意義上說，二維材料并不是全新的技術(shù)。研究人員自上世紀(jì)60年代就利用分子數(shù)外延（MBE）機(jī)器開發(fā)出原子形態(tài)的薄片材料。但是MBE機(jī)器通常被用于儲存如硅和砷化鎵等材料——這些晶體材料的原子結(jié)構(gòu)通常傾向于形成三維結(jié)構(gòu)。從這個層面看，由MBE機(jī)器制作的原子層就像一片奶酪，是三維材料的二維版本。
石墨烯有所不同，它更像一本書中的紙頁，中國臺灣新竹“國立清華大學(xué)”材料學(xué)教授Yi-Hsien Lee說。讓科學(xué)家大吃一驚的是，當(dāng)他們近距離研究石墨烯時，卻發(fā)現(xiàn)塊狀石墨烯中并不存在導(dǎo)電性和光學(xué)特征。“最大的教訓(xùn)是石墨烯并沒有那么不同。”中國上海復(fù)旦大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說，盡管如此，研究人員表示，“石墨烯把二維材料帶到了聚光燈下。”
在談及高科技設(shè)備時，石墨烯的光環(huán)黯淡了一些。電子時代的大多數(shù)被認(rèn)為有價值的材料都是半導(dǎo)體，而石墨烯更像一個金屬導(dǎo)體。“石墨烯確實是一種非常寶貴的材料。” 美國密歇根州立大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家David Tomanek說，“但它卻和電子行業(yè)不搭邊。”
然而，石墨烯打開了科學(xué)家的視野，使他們把目光聚焦于平面電子的新世界。他們看到了與石墨烯類似，但卻擁有新光電特征的材料，他們設(shè)計了單層硅（硅烯）、單層鍺（鍺烯）、單層錫（錫烯）；他們創(chuàng)造了用氮化硼制作的絕緣體，該材料有著像石墨烯一樣的雞籠式晶格結(jié)構(gòu)；他們制作了可用于控制特定化學(xué)反應(yīng)的高效催化劑單層金屬氧化物；他們甚至還在二維薄片中圈入水分子，盡管這樣做有何用途目前仍不清楚。
但就目前來看，大多數(shù)圍繞平面材料的研究工作聚焦于兩種材料：一種是叫作二硫化鉬（MoS2）的化合物；另一種是名為二維黑磷單晶（或稱黑磷）的單層磷原子。兩種材料都有著吸引人的電子特性，而它們的研究者之間的競爭也極為激烈。
二硫化鉬，光學(xué)設(shè)備優(yōu)選材料
在兩種材料中，二硫化鉬研究率先起步。二硫化鉬于2008年合成，是叫作過渡金屬二硫化物材料（TMDs）大家族的成員之一。這個顯得有點“花哨”的名字代表了它們的結(jié)構(gòu)：一個過渡金屬原子（即鉬原子）和一對包括硫元素、硒元素在內(nèi)的來自元素周期表第16列的原子（該元素家族以氧族元素著稱）。
讓電子制造者驚喜的是，所有TMDs均是半導(dǎo)體。它們和石墨烯的薄度近乎相同（在二硫化鉬中，兩層硫原子把一層鉬原子像“三明治”那樣夾在中間），但是它們卻有其他優(yōu)點。就二硫化鉬而言，優(yōu)點之一是電子在平面薄片中的運(yùn)行速度，即電子遷移率。二硫化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs（即每平方厘米每伏秒通過100個電子），這遠(yuǎn)低于晶體硅的電子遷移速率1400 cm2/vs ，但是比非晶硅和其他超薄半導(dǎo)體的遷移速度更好，科學(xué)家正在研究這些材料，使其用于未來電子產(chǎn)品，如柔性顯示屏和其他可以靈活伸展的電子產(chǎn)品。
研究表明，二硫化鉬還極易制作，即便是制作大片的二維材料。這讓工程師能以非常快的速度檢測它們在電子產(chǎn)品中的性能。例如，2011年，由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Andras Kis帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊在《自然—納米技術(shù)》發(fā)表文章稱，他們用僅有0.65納米厚的二硫化鉬單層薄片制作出首批晶體管。結(jié)果證明，那些產(chǎn)品以及隨后的產(chǎn)品比技術(shù)更先進(jìn)的以硅為基礎(chǔ)的同類產(chǎn)品具有其他獨特屬性。
除此之外，二硫化鉬還有其他令人向往的特性，即直接帶隙，這一特性使該材料把電子轉(zhuǎn)變成光子，反之亦然。這個特性也讓二硫化鉬成為光學(xué)設(shè)備中采用的優(yōu)質(zhì)候選對象，這些設(shè)備諸如光發(fā)射器、激光、光電探測器，甚至還包括太陽能電池。一些科學(xué)家表示，這種材料還具備儲量豐富、價格低廉、無毒性等特點，因此Yi-Hsien Lee認(rèn)為：“它的前途一片光明。”
然而，Tomanek則認(rèn)為，二硫化鉬的電子遷移速率仍然不夠高，很難在擁擠的電子市場中具有競爭優(yōu)勢。其原因是這種材料的結(jié)構(gòu)特征，電子在其內(nèi)部移動時，碰到較大的金屬原子后會在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離，從而降低遷移速度。
但也有科學(xué)家表示，這種“絆腳石”將是短暫性的。研究人員正在試圖繞過這些障礙——通過變得略厚一些的多層二硫化鉬薄片，從而給壓縮電子提供選擇路徑使其繞過路障。“屆時，二硫化鉬的遷移性問題將被解決。”Yi-Hsien Lee說。
黑磷，電子設(shè)備的材料新寵
二硫化鉬的競爭對手——二維黑磷單晶（又稱黑磷）似乎讓科學(xué)家更為興奮。二維黑磷單晶是純磷可以形成的三種不同的晶體結(jié)構(gòu)（或同素異形體）之一。其他兩種材料分別是用于制造煙花的白磷和用于制造火柴頭的紅磷。
二維黑磷單晶由位于兩個位面的波浪形磷原子組成，去年剛剛合成。但是其屬性已經(jīng)使它成為材料學(xué)界的寵兒，其電子轉(zhuǎn)移速率為600 cm2/vs，一些研究人員希望進(jìn)一步提高這一速率；同時，其頻間帶隙（讓電流通過該物質(zhì)所需要的電伏）是可調(diào)諧的，即電子工程師可以通過簡單的改變二維黑磷單晶的疊層調(diào)整帶隙，這一特性有利于根據(jù)具體要求設(shè)計出期望的帶隙。“所有這些屬性都讓二維黑磷單晶成為一種超級材料。”Tomanek 說。
研究人員正在以極快的速度推進(jìn)二維黑磷單晶的產(chǎn)品化。去年3月2日，張遠(yuǎn)波和復(fù)旦大學(xué)的其他同事在線發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》的報告稱，他們制作出了基于二維黑磷單晶的晶體三極管——這一產(chǎn)品在計算機(jī)邏輯電路中發(fā)揮著“心臟”作用。兩周以后，Tomanek和同事也在美國化學(xué)學(xué)會《納米》期刊上發(fā)表了他們利用二維黑磷單晶制作出的晶體管的報告。
然而，不幸的是，二維黑磷單晶在空氣中不穩(wěn)定。“在24小時后，我們可以看到材料表面的氣泡，然后整個設(shè)備在數(shù)日內(nèi)就會失效。”得州大學(xué)奧斯汀分校二維黑磷單晶專家Joon-Seok Kim說。專家表示，其中的罪魁禍?zhǔn)资撬魵?，它會和磷發(fā)生反應(yīng)，把磷轉(zhuǎn)化為磷酸并導(dǎo)致材料腐蝕。盡管如此，Kim的研究團(tuán)隊和其他科研人員依然在設(shè)法解決這一問題。例如，Kim在今年3月份美國物理學(xué)會的一次報告中表示，他和同事已經(jīng)可以讓基于二維黑磷單晶的晶體管持續(xù)工作3個月——通過把它們封裝在氧化鋁和聚四氟乙烯的隔層中。
然而，Yi-Hsien Lee卻認(rèn)為這種方法并不能保證該材料的長期穩(wěn)定性。“你可以在產(chǎn)品上加一層保護(hù)層，但這僅僅是減緩了老化速率。”他爭論說，二維黑磷單晶之所以獲得一些研究人員的青睞，是因為這種材料易于上手：像石墨烯那樣，可以輕而易舉地用透明膠帶剝落黑磷的薄片。“這是同一種方法。”Yi-Hsien Lee說，“但這并不意味著，二維黑磷單晶前景大好。”
最終，兩種材料或許都有很大的發(fā)展空間。“我們才剛剛?cè)腴T。”佛羅里達(dá)州立大學(xué)物理學(xué)家Luis Balicas說。他表示，隨著時間的發(fā)展，工程師將利用二硫化鉬與光的強(qiáng)相互作用制作太陽能電池、光發(fā)射器和其他光學(xué)設(shè)備；同時增強(qiáng)二維黑磷單晶的高電子遷移率，并用其制作電子設(shè)備。
石墨烯與激光
1、新型石墨烯光電探測器
西班牙和美國科學(xué)家合作研制出一種基于石墨烯的光電探測器轉(zhuǎn)化儀，其能在不到50飛秒（1秒的一千萬億分之一）的時間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電信號，幾乎接近光電轉(zhuǎn)化速度的極限，將大力助推多個領(lǐng)域的發(fā)展。
高效的光電轉(zhuǎn)化技術(shù)，因為能讓光所攜帶的信息轉(zhuǎn)化成可在電子電路中進(jìn)行處理的電信號，在從照相機(jī)到太陽能電池等多個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，也是數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用的重要支撐。盡管石墨烯是一種擁有極高光電轉(zhuǎn)化效率的材料，但此前科學(xué)家們并不知道其對超短光脈沖的反應(yīng)究竟有多快。
現(xiàn)在，由西班牙光子科學(xué)研究所的研究員弗朗克·科朋斯教授、加泰羅尼亞高等研究院的尼爾克·范·赫斯特、美國麻省理工學(xué)院的帕博羅·加里洛-赫耶羅，以及加州大學(xué)河濱分校物理系教授劉津?qū)帲ㄒ糇g）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊研制出了這種基于石墨烯的光電探測器轉(zhuǎn)化儀，其能在不到50飛秒的時間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電，將光電轉(zhuǎn)化速度推到了極限。最新研究已發(fā)表在近期出版的《自然·納米技術(shù)》雜志上。
為了做到這一點，研究人員使用了超快的脈沖激光激發(fā)以及超高靈敏度的電子讀出方法。研究人員克拉斯-揚(yáng)·泰爾說：“這一實驗的獨特之處在于，將從單分子超快光子學(xué)所獲得的超快脈沖成型技術(shù)與石墨烯電子技術(shù)完美結(jié)合在一起，再加上石墨烯的非線性光—熱電反應(yīng)，使科學(xué)家們能在如此短的時間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電信號。”
研究人員稱，由于石墨烯內(nèi)所有導(dǎo)帶載流子之間存在著超快且超高效的關(guān)聯(lián)，在石墨烯內(nèi)快速制造出光電壓是可能的。這種相互關(guān)聯(lián)使他們可以采用一種不斷升高的電子溫度，快速制造出一種電子分布。如此一來，從光吸收的能量能被有效且快速地轉(zhuǎn)變成電子的熱量。隨后，在擁有兩種不同摻雜的兩個石墨烯區(qū)域的交界處，電子的熱量被轉(zhuǎn)變成電壓。實驗結(jié)果表明，這種光熱電效應(yīng)幾乎同時出現(xiàn)，被吸收的光可以快速轉(zhuǎn)變成電信號。
研究人員表示，最新研究打開了一條通往超快光電轉(zhuǎn)化的新通路。科朋斯強(qiáng)調(diào)說：“石墨烯光電探測器擁有令人驚奇的性能，可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域。”
2、石墨烯材料有望蘊(yùn)育出新型寬帶激光器
德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心(HZDR)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組，在強(qiáng)磁場作用下，對石墨烯中電子的動力學(xué)研究有望促進(jìn)新型寬帶激光器的研制。
研究人員將石墨烯放置在4特斯拉的磁場內(nèi)，在磁場的作用下，迫使材料中的電子形成特定的能級，該能級被稱為朗道能級。隨后，研究人員用自由電子激光器對這些能級進(jìn)行了研究。博士生Martin Mittendorff說：“激光脈沖激發(fā)電子，使它躍遷到特定的朗道能級。然后，用有時間延遲的脈沖來探測該系統(tǒng)如何運(yùn)作。”研究人員發(fā)現(xiàn)，激光泵浦了一些新電子進(jìn)入朗道能級，然后這些朗道能級又以意想不到的方式逐漸被掏空。他們認(rèn)為這是由電子間的碰撞導(dǎo)致的。
Stephan Winnerl博士做了一個類比來解釋這個過程：“想象一下，一個圖書館管理員整理一個三層書架上的圖書，她一次放置一本書，把在書架較低擱板的書放到中間擱板。她的兒子也一起‘幫’她整理，每次從中間擱板拿兩本書，一本放在頂部擱板，一本放在較低的擱板上。她的兒子非常希望中間擱板上放置的書的數(shù)量減少，即使中間隔板正是他媽媽希望放滿書的擱板。”Winnerl說研究人員并不希望這個被稱為俄歇散射的效應(yīng)太強(qiáng)或者耗散掉能級上的電子。
將石墨烯放置在磁場中發(fā)現(xiàn)了很多效應(yīng)，電子在這種體系中的動力學(xué)之前并沒有被研究過。研究人員認(rèn)為他們發(fā)現(xiàn)的這個現(xiàn)象具有實現(xiàn)激光的可能性，而且產(chǎn)生的激光波長在紅外和太赫茲范圍可以任意調(diào)諧。
Winnerl說：“很長一段時間以來，這種朗道能級激光器被認(rèn)為是無法實現(xiàn)的。但是現(xiàn)在，利用石墨烯，半導(dǎo)體物理學(xué)家的夢想有可能會變?yōu)楝F(xiàn)實。”
3、石墨烯或?qū)⑷〈鶶ESAM成為飛秒光纖激光器核心材料
飛秒光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，包括激光成像、全息光譜及超快光子學(xué)等科研應(yīng)用，以及激光材料精細(xì)加工、激光醫(yī)療（如眼科手術(shù)）、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的飛秒光纖激光器核心器件——半導(dǎo)體飽和吸收鏡（SESAM）采用半導(dǎo)體生長工藝制備，成本很高，且技術(shù)由國外壟斷。
在飛秒光纖激光器領(lǐng)域，石墨烯被認(rèn)為是取代SESAM的最佳材料。2010年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者撰文預(yù)測石墨烯飛秒光纖激光器有望在2018年左右產(chǎn)業(yè)化。要實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，需要解決高質(zhì)量石墨烯制備、大規(guī)模低成本石墨烯轉(zhuǎn)移、石墨烯與光場強(qiáng)相互作用、石墨烯飽和吸收體封裝以及激光功率穩(wěn)定控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。泰州巨納新能源有限公司經(jīng)過多年持續(xù)研究，成功攻克了這些關(guān)鍵技術(shù)，率先實現(xiàn)了石墨烯飛秒光纖激光器的產(chǎn)品化，主要性能指標(biāo)均高于同類產(chǎn)品，具有很高的性價比和很強(qiáng)的市場競爭能力。
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