導(dǎo)讀：古人云，千里馬常有，而伯樂不常有。正所謂天生我材必有用，你不會(huì)用，并不代表它沒有用。
石墨烯以諾獎(jiǎng)之尊，近來備受毀譽(yù)，摻鳥屎者有之，拿國(guó)際大獎(jiǎng)?wù)咭嘤兄芍^四面楚歌，壓力甚大。無論如何，各位還是要堅(jiān)守本心。一方面，要多做踏實(shí)的研究，不要把好材料做爛了。另一方面，也不要聽了好事者所言，半途而廢，自我懷疑。
誠(chéng)如郭德綱所言：
內(nèi)行要是和外行去辯論，那就是外行！
比如我和火箭科學(xué)家說，你那火箭不行，燃料不好，我認(rèn)為得燒柴，最好是煤，煤還得選精煤，水洗煤不好。
如果那科學(xué)家要是拿正眼看我一眼，那他就輸了。
下面我們就來看看，石墨烯在四面楚歌的最近2個(gè)月發(fā)表的6篇Science和Nature成果，石墨烯到底該怎么研究，未來發(fā)展趨勢(shì)到底如何？
1. Nature：“點(diǎn)石成金”，大幅降低石墨烯應(yīng)用成本！
和所有納米材料一樣，石墨烯的實(shí)用化依然面臨著低成本、高品質(zhì)、規(guī)模化合成手段的制約。質(zhì)量較高的石墨烯制備工藝要么產(chǎn)量太少，要么會(huì)產(chǎn)生大量缺陷。開發(fā)一種真正能夠大規(guī)模生產(chǎn)、低成本、高品質(zhì)生產(chǎn)石墨烯的技術(shù)，是石墨烯找回榮譽(yù)，在社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域能夠真正廣泛用起來，在國(guó)防軍工和光電器件等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)殺手锏突破的重中之重。
2020年1月28日，美國(guó)萊斯大學(xué)Rouzbeh Shahsavari, Boris I.Yakobson 和James M. Tour等人在Nature雜志在線報(bào)道了最新研究成果，提出了一種低成本、高品質(zhì)、規(guī)模化合成石墨烯的新技術(shù)。
技術(shù)要點(diǎn)：
1）快速：通過高壓放電，在100 ms內(nèi)達(dá)到3000K的高溫，核心工序只需要不到一秒鐘的時(shí)間。
2）便宜：煤、石油焦炭、生物炭、炭黑、廢棄食品、橡膠輪胎、塑料廢料等等富含碳的垃圾都可以作為原料，大幅降低成本
3）簡(jiǎn)單：不需要使用反應(yīng)爐，不需要使用溶劑或者反應(yīng)性氣體。
4）高產(chǎn)：產(chǎn)量完全取決于原料中碳的含量。如果使用含碳量較高的原料，譬如炭黑，無煙煤或煅燒焦炭，石墨烯收率可以達(dá)到80-90%，不需要經(jīng)過純化，碳純度就超過99%。
參考文獻(xiàn)：
DuyX. Luong et al. Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0
CVD是生長(zhǎng)高品質(zhì)石墨烯的重要方法，已經(jīng)發(fā)展了十年之久。問題在于，石墨烯與生長(zhǎng)基地之間結(jié)合牢固，導(dǎo)致往往不可避免地產(chǎn)生大量褶皺，極大地影響了石墨烯的最終應(yīng)用效果。那么，這些褶皺到底對(duì)石墨烯性能有多大影響？能否做出沒有褶皺的石墨烯呢？
2020年1月9日，南京大學(xué)高力波教授課題組給出了肯定的回答。他們采用一種質(zhì)子輔助的CVD方法，實(shí)現(xiàn)了無褶皺的超平滑石墨烯薄膜的制備。通過質(zhì)子的滲透和復(fù)合形成氫，也可以減少傳統(tǒng)CVD策略中石墨烯的褶皺。由于范德華相互作用的耦合，以及和生長(zhǎng)表面之間的距離，很多褶皺都消失不見。
技術(shù)要點(diǎn)：
1）由此生長(zhǎng)得到的超平滑石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出V形的狄拉克錐和線性色散，從而證明了石墨烯與基底之間的去耦合作用。
2）這種超平滑特性使得石墨烯通過濕法轉(zhuǎn)移后，保持清潔的表面，保留其固有性能，并有望用于其他二維材料的制備中，為二維材料的制備提供了新的解決方案。
參考文獻(xiàn)：
GuowenYuan Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films. Nature 2020, 577, 204–208.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1870-3
3. Nature：當(dāng)慣了主角，偶爾當(dāng)當(dāng)配角也挺不錯(cuò)的！
制約二維材料和薄膜材料實(shí)用化的一個(gè)關(guān)鍵問題在于：如何將二維材料或薄膜從生長(zhǎng)基底上轉(zhuǎn)移到目標(biāo)使用基底上，二維氧化物等各種具有新穎物理化學(xué)性質(zhì)的尖端二維材料，莫不深受此工藝的阻礙。遠(yuǎn)程外延生長(zhǎng)的襯底和外延薄膜之間是由石墨烯/其他二維材料分隔開的。也就是說，外延薄膜并不直接生長(zhǎng)在原始襯底上，而是生長(zhǎng)在石墨烯上。由于石墨烯足夠薄，襯底原子勢(shì)場(chǎng)能穿透石墨烯，使得外延生長(zhǎng)在石墨烯薄膜上進(jìn)行。其中，勢(shì)場(chǎng)穿透性與襯底材料中離子鍵的強(qiáng)度成正比。也正因?yàn)槭┑姆指糇饔茫r底材料與外延材料只存在弱范德華力，使得后者能較容易地剝離（移除）。總的來說，遠(yuǎn)程外延較好地兼顧了生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移過程。
2020年2月5日，麻省理工學(xué)院Jeehwan Kim團(tuán)隊(duì)和威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校Chang-BeomEom團(tuán)隊(duì)合作，從弱結(jié)合外延界面分離得到自支撐單晶薄膜，實(shí)現(xiàn)了多種類型的復(fù)合氧化物堆疊結(jié)構(gòu)的制備。而在其中，石墨烯功不可沒。
技術(shù)要點(diǎn)：
氧化物薄膜的制備涉及氧化過程，因此對(duì)氧壓的控制至關(guān)重要。然而，作者發(fā)現(xiàn)，基于脈沖激光沉積的高溫供氧會(huì)導(dǎo)致襯底上石墨烯的刻蝕。為阻止刻蝕的發(fā)生，作者首先在真空條件下沉積了5-10 nm厚度的氧化物薄膜，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行上述供氧沉積，最終薄膜厚度達(dá)到100 nm級(jí)別。
值得注意的是，后續(xù)氧化過程能有效提高初始沉積薄膜的結(jié)晶性。最后，作者將沉積的氧化物薄膜從石墨烯上剝離下來，得到自支撐氧化物薄膜。
參考文獻(xiàn)：
Kum, H.S., Lee, H., Kim, S. et al. Heterogeneous integration ofsingle-crystalline complex-oxide membranes. Nature 578, 75–81 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-1939-z
4. Science：如何驗(yàn)證石墨烯的螺旋型邊緣傳輸？磁場(chǎng)不夠，基底來湊
5. Nature：莫爾超晶格中可調(diào)諧的關(guān)聯(lián)陳絕緣體和鐵磁性
強(qiáng)磁場(chǎng)中的二維電子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)——物質(zhì)的一類拓?fù)鋺B(tài)，該拓?fù)鋺B(tài)具有有限陳數(shù)C（Chern number）和手性邊緣態(tài)。Haldane隨后推論，具有整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的陳絕緣體可能會(huì)出現(xiàn)在具有復(fù)雜跳躍參數(shù)的晶格模型中，即使是在零磁場(chǎng)的情況下。ABC-三層石墨烯/六方氮化硼（ABC-TLG/hBN）莫爾超晶格是探索陳絕緣體的理想平臺(tái)，因?yàn)槠渚哂薪跗教沟哪獱栁В蚁鄳?yīng)的陳數(shù)隨能谷變化、可電調(diào)諧。
有鑒于此，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室/加州大學(xué)伯克利分校王楓團(tuán)隊(duì)、復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)、SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室David Goldhaber-Gordon團(tuán)隊(duì)聯(lián)合報(bào)道了ABC-TLG/hBN莫爾超晶格中關(guān)聯(lián)陳絕緣體的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，為探索新的關(guān)聯(lián)拓?fù)鋺B(tài)提供了機(jī)會(huì)。
技術(shù)要點(diǎn)：
1）磁輸運(yùn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，改變外加垂直電場(chǎng)的方向能使ABC-TLG/hBN的莫爾微帶在零和非零有限陳數(shù)之間切換。
2）對(duì)于調(diào)諧為具有有限陳數(shù)的拓?fù)淇昭ㄎВ髡咧匮芯苛似渌姆种惶畛洌疵總€(gè)莫爾晶胞中一個(gè)空穴的情況。
3）磁場(chǎng)大于0.4T時(shí)，霍爾電阻具有h/2e2的量子化間隔，表明C=2。
4）關(guān)聯(lián)拓?fù)浣^緣體具有鐵磁性，在零磁場(chǎng)下表現(xiàn)出極大的磁滯和反常霍爾信號(hào)。
GuoruiChen et al. Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice. Nature, 2020.
DOI:10.1038/s41586-020-2049-7
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2049-7
6. Science：石墨烯的氣體透過性極限！
以單層石墨烯為代表的無缺陷二維材料，雖然只有一個(gè)原子層的厚度，卻被認(rèn)為不具有氣體和液體透過性。DFT計(jì)算表明，單層石墨烯對(duì)原子和分子的透過性具有非常高的能壘，至少幾個(gè)電子伏。因此，在常規(guī)條件下任何氣體都不能透過無缺陷的單層石墨烯。在室溫下，一個(gè)原子想要透過一張沒有缺陷的膜，其花費(fèi)的時(shí)間將比宇宙的歷史還要漫長(zhǎng)。那么，石墨烯對(duì)氣體到底是不是真的不可透過？其極限到底是多少？機(jī)理如何？
有鑒于此，有石墨烯之父美譽(yù)的英國(guó)曼徹斯特大學(xué)諾獎(jiǎng)得主A. K. Geim團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了無缺陷石墨烯的不可透過性，拓展了不可透過性的極限，并揭示了氫氣在石墨烯中的異常透過性機(jī)理。
技術(shù)要點(diǎn)：
1）研究人員使用無缺陷的單層石墨烯密封的小型單晶容器為實(shí)驗(yàn)裝置，研究表明，無缺陷的石墨烯對(duì)氣體確實(shí)具有不可透過性，其檢測(cè)精度比之前的實(shí)驗(yàn)提高了8-9個(gè)數(shù)量級(jí)。
2）研究指出，雖然沒有直接的證據(jù)，但是作者能夠判別，在這樣超高的檢出限條件下，每小時(shí)只有幾個(gè)氦原子能夠透過。對(duì)幾乎所有其他氣體（氖氣，氮?dú)猓鯕猓瑲鍤猓碗瘹猓@一行為均表現(xiàn)一致，只有氫氣除外。
3）即使氫分子比氦大，應(yīng)該經(jīng)歷更高的能壘，但是氫卻表現(xiàn)出更加明顯的透過性。這一異常結(jié)果主要?dú)w以為以下機(jī)理：1）氫氣分子具有催化活性的石墨烯波紋處發(fā)生解離；2）被吸附的氫原子以較低活化能翻轉(zhuǎn)到石墨烯片的另一側(cè)。研究指出，這一活化能大概1.0 eV左右，接近質(zhì)子傳遞所需要的能量。
總之，這項(xiàng)研究從基礎(chǔ)的角度出發(fā)，為二維材料的不可透過性提供了重要思考，也為石墨烯的研究指明了新的方向。
另外，這項(xiàng)研究也為我們的基礎(chǔ)研究做出了新的范例。真正的純基礎(chǔ)研究，應(yīng)該更多專注于基本的性質(zhì)，而不應(yīng)過多渲染那些可能的應(yīng)用前景，除非你真的有做過嘗試。這樣的基礎(chǔ)研究，往往都將開辟一個(gè)全新的領(lǐng)域；否則，不是淹沒在浩浩蕩蕩的文獻(xiàn)海洋中，就是遺臭萬年！
