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2019-07-31 14:41

我今年34岁,我的工作就是玩积木

Photo by La-Rel Easter on Unsplash,出品公众号:,作者:韩拯,中国科学院金属研究所研究员。


“我儿子今年4岁,每天都玩积木,我今年34岁,也每天玩积木。今天给大家介绍一下我玩的积木。”


首先,我问大家一个问题,我们用手拿得起来的最薄的东西是什么?有朋友说是一张A4纸,没错,一张纸的厚度大概是88微米,我们头发丝的直径大概在60~70微米。



我们能直接拿起的 最薄的东西


有没有比纸更薄的呢?大家看,这是一张从金沙遗址出土的美轮美奂的太阳神鸟的金箔图片,古代工匠可以把它做到20微米薄,主要是因为它的制作材料——金的延展性非常好。


有一个成语叫薄如蝉翼,那么昆虫的翅膀能达到多薄呢?答案是500纳米到1微米。


还有小朋友经常玩的肥皂泡,它的厚度可以薄到10纳米。薄也好,小也好,都是维度的问题。



对于尺度的思考,早在战国时期,帅到天际的哲学家庄子先生就曾写到:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”


这句话从另一个侧面告诉我们,庄子其实是一个文科生。


对此我们可以做一个简单的估算,如果每天削去一根一尺厚的木棍的一半,那么它的厚度就会顺着1/2尺、1/4尺、1/8尺……这样的指数减下去,只需要33天,木棍的厚度就达到原子极限,也就没有办法再继续减下去了。



所以,另一位理科生,杨振宁老师告诉我们,除非有定量的证据,否则一切形式的哲学思辨都不能作为科学的真理被接受。


给层状材料降维后会怎样


回到刚才的问题,什么是维度呢?有请我们的道具土豆先生。


一个土豆的维度


我们知道土豆在三维世界中是一个三维的造型,如果把它的维度减少一维,变为二维,它就会变成土豆片,如果再减少一维,就变成土豆丝,再往下减就变成零维的土豆丁或土豆末了。


自然界中有很多材料天然地就被切成了片,但它们看起来还是呈三维的,可能有人会问,我怎么从来没有遇到过一片、一层的单层材料呢?


昆虫与墙壁间的范德瓦尔斯力


主要是因为这些层状材料的层与层之间有一种神奇的力量——范德华力。这种力是范德华斯先生在研究气体之间分子相互作用的时候发现的,它泛指一种分子间比较弱的作用力,后来这种力就以范德华先生的名字命名了。


人类很难用感官感觉到这个力的存在,是因为它非常弱,但如果我们把自己想象成一只壁虎,那我们立刻就有了飞檐走壁的能力。


科学家们研究发现,壁虎腿部末梢的绒毛非常小,小到了纳米尺度,每一根绒毛与墙壁或者树枝之间都有着非常微弱的范德华力,成千成万根绒毛提供的范德华力就足够支撑它们的体重,让它们具有“飞檐走壁”的能力了。


层状材料层与层之间的力和壁虎脚上的绒毛与墙壁间的这种力一样,都是范德华力。层状材料的代表是碳材料中的一种——石墨。


石墨


石墨最薄的一层是一个单原子层,即一个碳原子层。以乐高积木打比方,积木的层与层之间很容易拆开,是因为它们之间的力非常弱,但是每一层自己非常牢固,坚不可破。


钻石


石墨有一个同素异形体——钻石,也叫金刚石,它跟石墨的区别是什么呢?石墨和钻石的主要成分都是碳,只不过石墨层间原子的结合力较弱,而钻石每个原子间形成了非常强的结合键,于是人们从哪个方向都难以拆解钻石。


钻石的键能非常高,天然钻石往往形成于数百千米以下的地里,那里高压高温的条件非常利于钻石的形成。


两者的市场售价更是千差万别。一句古文曾写道:“半匹红绡一丈绫,系向牛头充炭直。”也就是说,用半匹布就可以把一车碳买下来,


而钻石的广告词——钻石恒久远,一颗永留传。钻石的售价非常高。


石墨层


石墨每层的厚度是0.33纳米,如果把庄子的那句话稍稍修改一下,变成“一尺之碳,日取一层”,“万世不竭”就没有毛病了。


如何从层状材料中拆分得到单层原子?


我研究的正是层状材料。当然,我的研究对象并不满足于自然界中已经天然形成的层状材料,我和我的团队研究的目标是把不同的层状材料分离、拆解成单层,再把它们组装到一起,然后研究它们在低维度下的美。


到底如何才能从层状材料中拆解到一个单层原子呢?大家想一想,铅笔芯是由石墨构成的,写字时我们能很轻松地在纸上留下笔迹,这时就相当于轻松地拆解出了非常薄的石墨片层。


利用这样的原理,科学家设计出了纳米尺度的石墨,将其在基片上进行擦写,这样就留下了非常薄的石墨原子层。


不过这种方法具体实施起来很困难,而且不利于普及。有没有更简单的方法呢?


暴力拆除行不行?可不可以像手撕包菜那样手撕石墨?答案是可以的。


利用胶带对折获得石墨烯


如果你拿一个透明胶带,当然在科研工作者眼中,这个胶带不是普通的胶带,它叫做“实验器材”。我们将石墨片粘在胶带上,将其对折无数次之后,就能得到非常薄的单层原子层,也就是石墨烯了。


除了这种方法,还有没有其他方法获得石墨烯呢?当然有。科学家研究发现,如果在高温或者其他条件下,我们用某种金属衬底来起催化的作用,俘获碳原子并将其聚集起来,便可以形成二维的、单原子层的石墨烯。


这种做法中的碳原子从何而来呢?我们可以将含碳的气体,比如甲烷,送进机器里,让其与实验材料形成化学反应。


碳原子形成过程


用图片表示的话,大意是:甲烷中的四个氢原子被弄走了,只留下一个碳原子在金属衬底上,后续会不断有其他碳原子来跟它形成键,慢慢地,就能形成大面积的石墨烯了。


用来演示的这个动画确实技术含量不高,看上去显得有点低级,跟SHIT一样。可你知道吗,2011年的时候,美国著名的科学家James Tour就率先用狗屎制备出了石墨烯。


人类对石墨烯的研究展示了人类把层状材料分成单层的极限,并从中测到了非常高深的量子物理。后来,人们又成功地把它制备到米级,甚至百米级的晶体。


石墨烯给产业界的变革带来了深远的影响,2010年,曼彻斯特大学的两位科学家也因在石墨烯领域作出重大成果而获得了诺贝尔物理学奖。


妈妈眼中我的科研


朋友们的眼神告诉我,或许你们认为科研工作者的世界是这样的:天马行空想一个问题,然后接受挑战,再翻翻书,做做实验,最后就拿到诺贝尔奖了,So easy。


今天的演讲主题是“大梦想家”,这是每一位科研工作者的最高理想,最大梦想。


但实际情况是,我们每天早上从睡梦中醒来,抓起两个馒头匆匆赶往实验室,路上见到同学会打一声招呼:“Hi,你的发际线还好吗?”到了实验室,放下馒头,匆匆抓起两卷胶带,咔咔一顿扯。


好不容易发现一点点自我感觉是重大突破的时候,上网一查,50年前苏联的一位科学家就已经发现了,于是一切回炉重炼。


等到晚上回到寝室,脑袋瓜子嗡嗡地,只有一个声音在回响:我是梦想家,我不能退学。


现实中的科研


此时此刻我们会恨自己,当初为什么选择做“偏偏少年”,而不是做“明明少年”?因为明明可以靠颜值,偏偏却要做科研。


三维到二维,“原子厚度的范德华材料有何区别”


刚才介绍了什么是层状材料,以及如何分离层状材料。那么为什么我们要将层状材料做一个三维到二维的转变呢?


二维的材料能给我们带来什么样新奇而有趣的物理性质?


静电场中小孩头发飘起来


举个例子,如果将一个小孩放到静电场当中,他的头发就会自由地飘起来,这就是受到了电场的影响。


静电场中的三维石墨


于是科研人员把一个三维的石墨也放到静电场中,并用平行板电容器给它充上电,同时测量石墨的电阻。


之所以做这样的实验,是希望看到石墨的电阻能够被电场所调控,这样才有一定的研究价值,可惜,块体的石墨根本做不到。


但是,如果我们把石墨减薄到二维极限下,这个问题就变得简单了。


加电场调控的石墨烯


只要对石墨烯,或者其他各种各样的二维层状材料做一个电场调控,我们往往会得到电阻或其他特性随电场而变化的关系。


除了电阻,还会看到诸多物理性能,比如磁性、超导等。二维材料带给我们无限的可能,你可以用它来研究深奥的物理,来服务未来的应用。


如何把不同的层状材料从不同的晶体中分离出来,再把它们组装到一起,是我们主要的研究目标。


用不同的原子堆积成自然界中没有的新结构——纳米积木。


把不同的层状材料进行堆叠的过程类似拼积木。


堆叠的纳米积木


自然界中有10万种材料,其中约5000种是层状材料,如果将它两两组合或者三三组合,那么可能性远远大于100万种。


旋转的纳米积木


我们还可以将二维材料进行旋转操作,让它们转动起来,这在自然界中是不可能的,只有人类才可以进行这么精细的操作。


图中旋转的过程中,我们会看到非常漂亮的图案,它在增大又减小,我们将它称为超晶格。


这种超晶格是人为制造出来的一种晶格,电子在其中运动的时候,性能会发生翻天覆地的变化,可以带来超导特性、磁性,甚至其他更深奥的物理现象。


纳米积木的堆叠


那么科研人员是如何把纳米积木堆积出来的呢?这个堆积的过程总共分为六步,首先还是用特殊的胶带将层状材料解开,然后像做汉堡包那样,一层一层地摞在一起,再进行纳米制备的操作,最后就得到像上图右下角那样一个非常小的纳米积木了。


它非常小,小到重量只有10-14千克,也就是一百万亿分之一千克。


堆一个纳米积木的设备总重约5吨


用于操作这个材料所需的设备很复杂,尺寸也很大,涉及到的科研设备总重量大概是5吨。


层状晶体材料的各种用途


层状材料用途广泛


层状材料和层状晶体(二维材料)的应用前景非常广阔,可以用在能源领域,比如超级电容,因为它的面积非常大,质量却非常小。


还可以用在生物领域和微电子当中,等等。我们的实验室其实聚焦于一个小小的领域,主要是做纳米微电子。


碲化镓压缩到二维极限下


我再举一个例子,碲化镓是一个半导体,它的三维块体的性能是非常简单的,但如果把它压缩到二维的极限下,它会发生什么变化呢?


我们将三四层碲化镓和两层氮化硼夹在一起做成一个层状结构。氮化硼是另一种层状材料,女性常用的眼影里经常有它。


我们像切西瓜一样将晶体的剖面提取出来,再通过透射电子显微镜去观察,就会发现氮化硼和碲化镓的界面,在一个0.34~0.8纳米的晶格里交替变换着,这在自然界中是不可能存在的,是我们用人为的方式将它们堆到了一起。


堆到一起之后,它呈现出了两种特性。第一种特性是可控的方向性。电子在少层碲化镓中的运动有一个非常强的方向性,A方向的电阻可能是B方向电阻的5000倍,并且这个5000倍电阻的差异,还可以通过电场调节到5倍左右。


相当于给电子安装了一个交通灯


这相当于给电子安装了一个交通灯,让它们遵守我们的规则,沿着任何一个方向去运动,所以它成了一个方向性传感器,这是块体三维中不可能存在的美妙事情。


浮栅寄存器


第二种特性,如果我们把纳米积木做得再复杂一点儿,就像图中所示的浮栅寄存器。


平时,我们对常规浮栅寄存器进行一次电压操作,写入一个信息之后,它能长时间地存储信息,而碲化镓—氮化硼浮栅寄存器在二维下有什么新的特性呢?


它跟厚一点的材料有什么不一样呢?当我们写入一次信息后,我们可以同时存储两组数据,从A方向读取,它可能是一部电影,从B方向读取,它可能是一部小说。也就是说,我们在提高存储密度的同时,还增加了方向性的调控性。


今天讲了很多层状材料,讲了如何把它分离成单层,如何把不同的层状材料堆积成积木。


层状材料本身在二维极限下也呈现一种极限的美,在工业界,尤其是半导体工业,我们都希望芯片的尺度越来越小,性能越来越高。


摩尔定律


有一个著名的摩尔定律。从图中我们可以看到,1971年“8008”这个芯片生产的时候,它的尺度大概是10微米,我们在一个10微米大小的半导体上进行逻辑单元的运算操作。


显然,科学家们不满足这样的尺寸,他们想要在单位面积上集成更多的信息单元,所以要减小尺寸。


这个类似坐火车,如果都卖卧铺票,容纳的乘客就不会太多,但如果把卧铺票改为站票,尤其是在春运的时候,那就可以让更多的人坐上火车。


于是科学家发明了FinFET(鳍栅晶体管)可以把平面通道变成站立通道,这样就节约了大量的空间,如此一次就能在更小的面积里储存更多的芯片或运算单元。


我们可以想象,在可以预见的未来,这个尺度肯定是有极限的,并且它的极限肯定是一个单原子,因为人类不可能在日常生活中打破这个单原子,那是高能物理的范畴。


我们实验室最近也在做这方面的工作,希望下一次有机会跟大家做更深入更全面的介绍。


讲到这儿,我要感谢国内外的合作者以及我的学生团队,正是他们的辛勤工作才支持了今天的报告。


我诚挚地邀请大家到沈阳,到金属研究所,到材料科学国家研究中心来作客,我们一起面对面堆积木。感谢大家的聆听,谢谢大家!


本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载

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