引言
在2004年，Novoselov等人通過簡單的膠帶剝離法成功分離出石墨烯，這一突破性發現引發了科學界的廣泛關注。石墨烯不僅在室溫下保持穩定，還展現出卓越的電導性，挑戰了先前關于二維材料的理論。此項研究的直接影響深遠，促使科研人員深入探索石墨烯及其他二維材料的獨特性質。隨著研究的不斷深入，石墨烯成為新材料科學和凝聚態物理學的重要研究對象。如今，石墨烯及其衍生材料在電子、光電和能源領域展現出巨大的應用潛力。近期，麻省理工學院Pablo Jarillo-Herrero教授在《Nature》上發表了題為《The Discovery That Stuck — 20 Years of Graphene》的觀點論文，回顧了這一發現對科學界的深遠影響，探討了過去二十年間石墨烯研究的重大進展以及未來的研究方向。
主要內容
物理定理指出，量子波動阻止了晶體（或任何其他）秩序在二維空間中存在。因此，想象一下當審稿人首次閱讀一篇報告直接實驗證據的論文時，他們面露困惑的表情：原子薄膜石墨不僅存在，而且在室溫下穩定——并且導電性能極其良好。是什么阻止了這些碳原子層熔化或甚至飛散成碎片？事實證明，現實生活并不總是遵循數學定理的假設。顯然，審稿人同意了這一點，20年前，《科學》雜志發表了一篇由Novoselov等人撰寫的論文，展示了“石墨烯”層的存在。這篇論文在多個方面開創了先河。首先，作者用以分離單層碳原子（石墨烯）或少層（少層石墨烯，FLG）的方法極具巧妙、創造性且驚人簡單。該方法涉及使用普通的膠帶從石墨晶體表面剝離原子層，然后將膠帶按壓到基底上（見圖1a）。令人驚訝的是，當研究人員取下膠帶時，他們發現基底上滿是薄的石墨片，包括石墨烯和FLG。直到今天，從事石墨烯研究的大多數團隊（包括我自己的團隊）仍然繼續使用本質上相同的方法來分離該材料。圖1 | 二維奇跡材料。a. 2004年，Novoselov等人發現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。他們還發現，石墨烯是一種優秀的電導體。b. 自那時以來，這個團隊和其他研究人員揭示了石墨烯的更多驚人特性。例如，當兩層石墨烯堆疊在一起并旋轉時，它們形成一種“扭轉雙層”，與單層不同，它可以是電絕緣體或超導體（電阻為零）。 Novoselov等人是幸運的——事實證明，石墨烯和FLG片在簡單的光學顯微鏡下可以很容易被肉眼看到。這使得作者能夠快速可視化他們機械剝離實驗的結果，并通過測量光學對比度來表征薄片的厚度。光學顯微鏡仍然是成像石墨烯（以及后來發現的許多“二維材料”）的最常用方法。該技術經歷了一些改進，比如借助人工智能增強顯微鏡，可以高精度、自動化地識別和計數材料的層數。FLG薄片在環境條件下（關鍵是標準納米加工程序所施加的條件）是穩定的。這意味著它們不受在上面附加電接點過程的影響，這使得Novoselov等人能夠展示FLG薄片的良好導電性。第四，由于石墨是一種稱為半金屬的材料，FLG薄片中的電荷載流子密度與典型金屬相比較小。這使得作者能夠構建在施加到附近金屬電極的電壓變化時，其電阻可以變化幾個數量級的器件。當Novoselov等人冷卻他們的FLG樣品并施加大磁場時，他們注意到電阻顯示出量子振蕩，這種特性在許多量子系統中很常見。這表明這些薄片具有實現新量子現象和器件的潛力（這在隨后的幾年中得到了證明）。盡管這一驚人突破，但可以公平地說，這篇論文的影響直到次年才得到充分認識。當年發布了兩篇論文——其中一篇來自Novoselov和同事。兩篇論文都表明單層石墨烯中的電子表現得像是零質量粒子，以與其能量無關的恒定速度運動；在某種程度上，它們更像是在高能物理加速器中飛行的粒子，而非在晶體固體中的電子。同年，Novoselov和同事還展示了膠帶剝離法可用于隔離其他幾種超薄晶體薄膜。二維材料研究正式開始，Konstantin Novoselov和Andre Geim因此獲得2010年諾貝爾物理學獎，以表彰他們在二維材料石墨烯方面的開創性實驗。 很難夸大2004年論文對凝聚態物理學和材料工程的影響。一個簡單的指標是，它在Web of Science數據庫中獲得了超過50,000次的引用，使其成為歷史上引用最多的物理論文之一，反映出全球數千個研究組開始從事二維材料研究。這些研究人員不僅包括物理學家，還有化學家、材料科學家、電氣工程師，甚至是醫學工作者。是什么導致了這種非凡的興趣？部分原因是石墨烯的特性包括許多超越常規的特性：它是最堅固、最薄的材料，也是熱和電的最佳導體。此外，石墨烯并不是唯一的二維材料，這意味著許多不同的研究線索都可以追溯到Novoselov及其同事的初步結果。二維材料家族現在包括絕緣體、半導體、晶體磁體、晶體鐵電體（鐵電體是指顯示自發電極化的材料）、超導體（電阻為零的材料）——這個列表還在繼續。在許多情況下，這些二維晶體的行為與其三維對應物有顯著不同，而且它們往往更容易被“調諧”（例如，通過改變層數或電荷載流子密度）。因此，研究人員預測了許多潛在的科學和技術應用，其中一些正在開始實現：超靈敏的化學和生物傳感器以及紅外相機是最先進入的應用之一。二維材料的另一個關鍵方面是它們可以疊加在一起，形成“異質結構”，這在某些方面類似于用孩子的樂高積木建造的結構。但樂高積木必須相互對齊或垂直疊放，而二維材料則沒有這種限制：它們可以以晶格間的任意扭轉角度疊加。而這些扭轉的異質結構的性質可能與其組成層的性質大相徑庭（見圖1b）。例如，大約1度的扭轉角度可以將堆疊的石墨烯片（既不是絕緣體也不是超導體）轉變為一種顯示絕緣和超導行為的異質結構，這歸因于其電子之間的相互作用。這個領域通常被稱為“扭轉電子學”（twistronics）或“莫爾量子物質”（moiré quantum matter），因為兩個晶格的疊加形成了一個稱為莫爾晶格的干涉圖案，已成為二維材料研究中最活躍的領域之一。值得注意的是，在過去六年中，扭轉電子學研究人員能夠實現幾乎所有已知的量子物質相，通常具有非常規特征。他們甚至發現了完全新的量子相和效應，包括去年在扭轉莫爾異質結構中實現的分數量子反常霍爾效應。 二十年前開始的旅程仍未結束，二維材料的研究持續增長。研究這些材料的人員以驚人的速度取得了關于基本物理的重要發現，這令人充滿信心。例如，手性或“偏手性”是一種不僅影響許多物理系統行為的特性，還在化學和生物學中發揮重要作用，這種特性可以在扭轉異質結構中得到探索和精確調節。在技術方面，盡管仍需謹慎樂觀，但也有理由感到樂觀。生長大規模、高質量石墨烯和其他二維材料的技術正在迅速改善，工程師們越來越愿意將這些材料納入器件制造平臺中。然而，特別是對于石墨烯以外的材料，二維樣本的質量必須進一步提高，制造具有任意扭轉角度的微型異質結構的方法必須實現自動化。這些努力將需要大量資源以及物理學家、化學家和工程師的全部聰明才智。但這種努力的回報可能是巨大的，可能為未來幾十年鋪平整個納米技術的發展道路。
結論展望
綜上所述，在2004年發表的關于石墨烯的開創性研究，不僅顛覆了二維材料的理論預期，還激發了廣泛的科學探索與技術應用。通過簡單的機械剝離方法，研究者們成功獲得了單層石墨烯，并揭示了其優異的電導性和獨特的量子特性。這一發現引領了二維材料研究的新浪潮，推動了各種新材料的探索，如超導體、絕緣體和鐵電材料等，形成了一個日益豐富的二維材料家族。尤其是“扭曲雙層石墨烯”研究的興起，展示了二維材料在調控電子行為方面的潛力。盡管挑戰依然存在，尤其是在提升材料質量和制備工藝方面，但隨著研究的深入和技術的進步，二維材料有望為未來的納米技術和電子器件的發展鋪平道路，成為新一代技術的基礎。
1.Nature 634, 789-790 (2024) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-03311-7
2.Novoselov, K. S. et al. Science 306, 666–669 (2004).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1102896
