石墨烯——必須關注的科技引爆點

2018年3月5日，《自然》連刊兩文報道石墨烯超導技術的重大發現，第一作者均為21歲的中國博士曹原。《自然》雜誌很少會同時以背靠背長文形式刊登了研究成果，但是這次甚至還配以第三篇文章作為評述。

曹原等人發現，堆疊的雙層石墨烯中，電學行為對原子排列非常敏感，影響層間電子移動。在這項研究中，單層石墨烯內原子間電子移動有關的能量在eV量級，而在層間的電子移動涉及的能量量級最多在幾百meV。

范德華異質結構是二元構築單元垂直堆疊而成，其中一個方向，就是通過控制層間扭曲角度，來調控范德華異質結的電子結構。當兩層石墨烯以一個「魔角」扭曲在一起時，就能在零電阻下導電。將兩層只有原子厚的石墨烯以特別的角度堆疊在一起，當碳原子間的排列呈1.1度（這個角度就是所謂的「魔角」）的角度偏移時，就會使材料變為超導體。此次的發現對於理解高溫超導電性至關重要。因為調控范德華異質結構，是一種類似工程化的操縱。儘管該系統仍然需要被冷卻至絕對零度以上1.7度，但結果表明了它或許可以像已知的高溫超導體那樣導電。

室溫超導體有什麼作用呢？

室溫超導體即為室溫下電阻為零的導電體。電能因輸電線存在電阻而變成熱量白白損耗，因此遠距離電力傳輸一直是人類的一大難題。當然，室溫超導體一旦研究成功，可不是降低輸電成本那麼簡單。我簡單描述一下：手持式地磁脈衝炮（施瓦辛格在《蒸發密令》里用的那種）、時速超過1000公里/小時的磁懸浮列車、能載幾百人的電動飛機、射程超千公里的電磁導彈、電動飛船、高密度儲能裝置………

完全可以說，室溫超導體技術可以支撐起人類許多科幻夢想，我想這也是《自然》雜誌為什麼如此看重曹原成果的原因。

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。實際上，它一直存在於自然界之中，只是很難剝離出單層結構。石墨就是一層層石墨烯疊加起來的，1毫米厚的石墨片中大約包含300萬層石墨烯。當我們用鉛筆輕輕在紙上一划，上面的痕迹可能是數層石墨烯。

2004年，英國曼徹斯特大學的Andre Geim和Konstantin Novoselov發現了一種獲取石墨烯的方法——從高定向熱解石墨中分離出石墨片，然後然後將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，重複這樣的動作，最後得到了僅由一層碳原子構成的薄片——石墨烯。在此以前，理論界和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在，所以，常溫石墨烯的發現，立即震撼了凝聚體物理學學術界。這兩位學者也因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

石墨烯具有一些非常特殊的物理性能，包括溶解性、吸附性等，其中在這些物理屬性上格外引人注目：

石墨烯具有非常好的力學特性：石墨烯是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。所以有人說：可以做一根連接地球和月球之間的長繩。

石墨烯有非常好的光學特性：在較寬波長範圍內吸收率約為2.3%，看上去幾乎是透明的。在幾層石墨烯厚度範圍內，厚度每增加一層，吸收率增加2.3%。

石墨烯還具有很好的電子效應：石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm2/V·s，這一數值超過了硅材料的10倍，是目前已知載流子遷移率最高的物質銻化銦（InSb）的兩倍以上。

石墨烯具有非常好的熱傳導性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導熱係數高達5300W/mK，是目前為止導熱係數最高的材料，要知道銅的導熱係數常溫下才400 W/mK。

石墨烯最後兩種特性，決定了它可以成為新的晶元材料。我在《未來》一書中就曾寫過：人工智慧+萬物互聯將成為新的基石，兩者的組合將會產生無與倫比的威力，直接引發一場新的技術革命，而晶元技術的突破，將成為這次革命的真正引爆點晶元技術的突破，使得更大規模的運算變得更為普及。其中，AI晶元、石墨烯晶元將成為這次科技革命的新驅動力。

1965年，摩爾（Gordon Moore，英特爾聯合創始人）提出：晶元製造技術的充足發展可讓技術公司每兩年縮小一次晶體管的體積。這就是著名的摩爾定律，但當微電路縮小到90納米以下的時候，散熱就成為最主要的問題，這直接導致了摩爾定律的失效。為了解決晶元的散熱問題，必須採用新工藝或者新材料。而石墨烯因其超薄結構以及優異的物理特性,在晶元方面的應用展現出極為誘人的應用前景。

石墨烯材料的電子和空穴遷移率比傳統的SiC 和Si 高很多，金屬性石墨烯材料的費米速度為 υF= 8×10e5 m/s，室溫電阻率為 ρ = 10E6 Ω-cm，性能優於最好的金屬導體，甚至可以承受10e9 A/cm2 的電流，如果用石墨烯材料製作晶元的話，其工作頻率有望超過 THz，我購買的最新的蘋果電腦使用的是3.1 GHz Intel Core i5處理器，雖然不能簡單的折算，但是可以想像，如果使用了石墨烯晶元，運算速度將會達到300倍的提升！

石墨烯晶元技術的突破，有望在普通的筆記本上開展現在雲計算才能開展的工作。這使得更大規模的運算變得更為普及，而更大規模的運算將繼續加速科學的進步！

任正非就曾經說過：「我認為這個時代將來最大的顛覆，是石墨烯時代顛覆硅時代」，石墨烯技術是我們必須經常關注的科技引爆點，這次，我們必須為這個21歲的四川成都小夥子曹原鼓掌、點贊，他所取得的成就，是人類科技進步的一大步，同時，這代表著新生的力量！也代表著年輕中國的力量！

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