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三篇论文开创三项全新研究!双层石墨烯加电可调材料特性,二维材料进入2.0时代
深科技 | 2020-12-31 17:51:54    阅读:226   发布文章

当我们用铅笔在纸上书写绘画的时候,可能并不会意识到黑色的石墨笔芯有什么神奇之处,但如果从微观物理科学的角度来看,却是另一个充满奥妙的世界。


石墨是碳同素异形体的一种形态,碳原子可组成平面六边形环平铺结构,堆叠起来便是石墨,因这些层状结构之间仅有微弱的结合力,可以轻易造成相互滑动、脱落。石墨也因此表现出质地较软且有滑腻感的特性,不仅能用来写字,还能做润滑材料,同时科学家们利用石墨材料较好的耐腐蚀性、导电性与导热性等,在产业界展开广泛应用。


而碳原子的神奇之处在于,不同的排列组合能形成属性截然不同的材料。例如在极高压力下,每个碳原子会以四面体状与另外四个碳原子键合,形成一个三维密铺网状结构,这种结构的结晶便是具备较高透明度和超强硬度的钻石,与石墨相比也变成了不导电材质。


如果碳原子变成二维结构又会表现出怎样的能力?答案便是在凝聚态物理领域火了十多年的超级材料:石墨烯通俗来讲,即单原子层平面的石墨,这种单层原子组成的晶体材料也称作二维材料,据了解,1 毫米厚度的石墨大约是由 300 万层石墨烯堆叠而成。


2004 年,英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈・海姆(Andre Geim)和康斯坦丁・诺沃肖洛夫Konstantin Novoselov成功在实验室从石墨中分离出了石墨烯,并在室温下观察到石墨烯中的量子霍尔效应,2010 年,二人因对石墨烯的开创性贡献共同获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯作为人类成功制备出的第一款二维材料,被科学家们广泛誉为是改变 21 世纪的材料之王,吸引了各国物理学家对此展开深入科研。它不仅是目前人类已知强度最高、最薄的纳米材料,而且具备超导电性、极好的热传导性和光学特性等。


一种新材料的应用边界有多广,取决于对其物理特性的了解有多深,在过去超过 15 年的时间里,科学家对石墨烯的研究已然走向深水区,但关于石墨烯的特性我们了解透彻了么?


来自麻省理工学院(MIT)物理系的助理教授巨龙,近年来通过融合光学、微器件加工及电学输运测量等跨领域实验手段,揭示了更多关于石墨烯材料的全新物理特性和应用前景,其创新发明的实验技术也对二维材料的物理研究起到了重要助推作用,凭借极具开拓性的科研贡献,他成功入选了《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单。


在日前的一次交流中,巨龙向 DeepTech 讲述了他眼中的二维材料 2.0 时代。


二维材料 2.0 时代


巨龙今年 33 岁,本科毕业于清华大学物理系,2009 年 - 2015 年期间,他在加州大学伯克利分校先后获得物理学硕士和博士学位,随后进入到康奈尔大学卡弗里纳米科学研究所以及原子和固体物理研究所做博士后研究,2019 年 1 月,加入麻省理工学院物理系担任助理教授。


在外界看来,多年偏基础物理科学的研究不免会有些枯燥,但对巨龙来说,兴趣是最好的内心驱动力,他所领导的课题组目前也是聚焦于对二维材料的一些基本物理性质的研究。


巨龙介绍,从 2005 年至今,科学界基本是一边研究已发现的二维材料性质,另一方面,也在不断寻找新的二维材料。石墨烯是这个领域里的第一个材料,近 15 年时间里科学家们已经做了很多突破性工作,曾经有一段时间,业界认为对石墨烯的相关特性都已经搞清楚了,于是就把注意力跟重心转移到去研究其他的二维材料。 


转折点发生在 2018 年初,一项重磅研究在扭曲双层石墨烯中观察到新型超导现象,被称为“魔角石墨烯”,DeepTech 曾对此进行过采访报道:21 岁 MIT 中国科学家连发两篇 Nature 论文:室温超导有望实现重大突破,石墨烯揭开其中“魔法” | 独家》。


与传统超导有很多不一样的特性,此发现虽然离高温超导甚远,但对揭开超导原理之谜意义深远,诺贝尔物理奖得主罗伯特・劳夫林(Robert Laughlin)曾评论该发现是 “一个令人目眩的暗示”,未来可能帮助推演设计出常温超导体,此后,石墨烯又重新成为整个二维材料乃至整个凝聚态物理领域非常前沿的研究焦点。


“如果你只考虑一层二维材料的话,它该有什么样的性质,说实话十几年时间大家都研究得比较清楚了,但如果你把二维材料想象成一张纸,不同的纸有不同的属性,两张纸可以叠起来,同理,你也可以把二维材料连接起来,这个事情就变得非常有趣,它们之间会产生相互作用,表现出跟两张完全分开的纸非常不一样的物理特性,从结构的角度来讲,科学家就可以获得之前自然界中所不存在的材料。


在巨龙看来,二维材料目前已进入 2.0 时代,科学家们在 1.0 时代主要研究单个的二维材料的性质,研究完可能就去寻找下一种二维材料。但目前在 1.0 的基础上,科学家们对各种二维材料的性质理解比较清楚的情况下,突然打开了一个全新的领域,可以把不同的二维材料组合在一起,或是控制扭转的角度产生更多实验变量,包括探索与拓扑材料的联系等,然后研究发现了全新的物理性质。


二维材料 2.0 时代刚刚揭幕,正在不断有惊喜产生。

三篇论文,三个开创性发现

2011 年,巨龙第一次在实验中观测并证明了石墨烯中等离子体的存在及其基本物理性质,这个新发现被《自然 - 纳米技术》进行了专题报道,论文被引用超过 2300 次,目前是该细分领域被引用最多的文章,对石墨烯等离子学的研究具有开创性。

等离激元作为电子集体震荡的量子形式,在材料的电学响应方面扮演着最基本和重要的角色,而且,与等离子激元相关的电磁场的波长可以比具有相同频率的光的波长短几个数量级。这意味着,等离子体可用来控制纳米级的电磁辐射,它们对固体中的电子对外部磁场的响应以及超材料在负折射、超透镜和隐身涂层等应用中的功能都起到关键作用。


这项研究发现,石墨烯纳米带中的等离子体具有广泛的可调谐频率,并可与光发生强烈的相互作用。巨龙和团队通过改变石墨烯纳米带宽度和其中的电荷载流子浓度,可以在较宽的太赫兹频率范围内调谐石墨烯等离子体共振,等离子体频率可从∼1.5 太赫兹调整到∼6 太赫兹。


这些结果为从近红外到远红外可调的各种器件打开了大门,包括超材料器件(如调制器、滤波器、偏振器、减速器、隐身器件和超级透镜),等离子器件(包括生物和化学传感器)和光电子器件(振荡器、放大器、光电探测器、高速通讯互联等),揭示了基于石墨烯材料全新的等离子体学和太赫兹超材料结合的科研思路。    

2015 年,巨龙的又一项工作成果再次被《自然》杂志和许多主流物理媒体报道,他和同事在双层石墨烯的畴壁上发现了拓扑保护的一维电子传导通道,这些传导通道是 “谷极化” 的。


在实验手段上,巨龙结合了近场红外纳米级显微镜和低温电迁移测量技术,记录了双层石墨烯畴壁上一维弹道电子传导通道的第一批实验观察结果,它们的存在为探索石墨烯中独特的拓扑相和能谷物理学提供了广阔前景。


能谷电子学作为量子计算的潜在途径,在高科技行业同样受到极大关注,电子的能谷自由度类似于电子自旋,利用能谷自由度在数据处理速度方面比传统电子学中使用的电荷具有巨大优势,能够用来存储和传递信息,可以制作出创新的纳米光电子器件,也有望发展成与传统电子学和自旋电子学并行的下一代电子学学科。

同样是在双层石墨烯研究领域,2017 年,巨龙在博士后科研阶段,凭借在实验技术方面的创新再次有了全新发现,论文以《双层石墨烯中的可调激子》为题发表在《科学》杂志。


激子是固体材料中电子和空穴的束缚态,对绝缘体和半导体的光学性质起着关键作用。在这项研究中,巨龙和团队利用了光电流光谱法研究了封装在六方氮化硼中的高质量双层石墨烯(BLG),进而观察到两个明显的激子共振,其激子光学吸收峰线宽较窄,可从中红外到太赫兹范围内调谐。


这使得双层石墨烯在新型激光器和检测器的开发中具有潜在的意义,传统半导体材料的光学性质完全由其结构和化学组分决定,而在双层石墨烯中可以通过外加电场轻易地调控出传统半导体从未有过的性质。

这些激子的光学跃迁研究发现与许多技术应用相关,例如分子光谱、材料分析、热成像和天文应用等,特别是在此范围内具有高品质因数的强且原位可调谐激子共振,有望让石墨烯成为适用于各种光学和光电应用更好的材料,例如可调红外探测器、发光二极管和激光器。


不断有新发现的背后得益于对实验手段的改进,巨龙在康奈尔大学的博士后工作期间,从零开始搭建了一套近场红外显微镜,并发展出一套全新的磁场中的广谱红外微光谱技术,这是一套微米尺度下的傅里叶变换光电能谱技术,对进一步研究石墨烯和其他二维材料提供了重要手段。


多尝试别人没有尝试过的思路


这三篇论文关注的材料对象虽然都是石墨烯,但侧重于它的几个非常不一样的物理性质的研究。对于一个新材料,我们更关注的是它能够给我们带来什么全新的认知?它相比于传统的材料有什么更好的特性?我们怎么去挖掘?以这样的兴趣和问题作为出发点,然后再去设计我们的实验,每一篇文章基本都是小的领域内第一篇开创性的文章。 ” 巨龙表示。


关于在科研课题选择方面的逻辑,巨龙介绍,如果局限在一个细分的方向,继续往下去做研究,应该还是会出其他的成果,但他和团队在挑选课题的时候,更倾向于从最感兴趣、最重要的、比较大的物理问题出发,想法和思路上的创新比较被看重,而不是完全基于已做出一些成果,下一步在这个小方向上继续做一些递进式改进。


能做出开创性的研究有什么诀窍么?


巨龙回答:“二维材料有很多意想不到的性质,但现在的瓶颈往往是我们缺乏合适的实验工具来研究它。例如我们当时在做 2017 年的那篇研究论文的时候,遇到的问题就是大家预测这个材料可能会有特殊的物理现象,但是我们缺乏一个手段,能够真正地在实验上探测到这些特性的数据。所以本质还是从科学问题出发,我们并不受限于自己能做什么,而是看我们需要做什么,如果一个问题驱动,需要去匹配一些新的手段,我们就想办法去发明这样的手段。


目前,巨龙自己带领的课题组仍在不断尝试用新的实验手段去探测石墨烯 2.0 时代的一些很重要的其他课题,去尝试别人没有尝试过的科研路径,而得益于实验技术手段的创新,也能做出一些非常特别、独家原创的实验结果,在竞争激烈的石墨烯材料科研领域,与其他研究团队明显区分开来。


巨龙的导师和同事都评价他是国际凝聚态物理领域一颗冉冉升起的新星,对于自己现阶段成就和外界的赞誉,他表示,正如二维材料 2.0 时代刚刚起步,自己其实也处于独立研究生涯比较早期的阶段,现阶段最大的期望是能够尽快把自己的课题组研究做起来,过渡到一个更稳定的科研阶段。


“重点还是脚踏实地。” 巨龙最后说道。


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