纳米技术中的下一个主角可能就藏在您使用的铅笔里——

石墨层:从艺术家的意向来看,它是波状的、单层原子厚度的石墨,而实质上,它就是纳米管的展开

过去十年中,碳纳米管堪称纳米技术的宠儿,是研究人员最喜爱的碳元素形式。这种微细的网状原子管被誉为电的优良导体,激起了人们对于超小型电路的梦想,希望有一天它能够替代硅芯片在电脑技术中广泛应用。

但是,纳米管也同样有着缺陷,例如:很难精确地排布,卷曲后易损失其良好的导电性。

碳纳米管的作用被夸大

当前,又一种碳元素形式吸引了众多纳米技术研究人员的目光。一些研究人员已经开始设想:石墨层或许能弥补纳米管的缺陷,在电子技术中大有作为。

虽然被称为石墨层,而实质上它就是未卷曲的碳纳米管——蜂窝状排布的单层原子。尽管听起来只是形式的不同,但如果我们的目标是操纵只有几个原子厚度的材料,从管状到片状可是一个不小的变化。

虽然石墨层的广泛应用也存在着许多障碍,但是物理学和高科技结合的奇异效果还是吸引了众多研究人员。英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·杰姆(Andre Geim)于2004年首次分离出了石墨层,他说:“至少目前还有很大的希望??石墨层很可能主宰未来。”

目前,Intel公司等制造商都是从盘子大小的硅片中压印出微芯片。然后通过进一步的压印将芯片和许多微小开关(晶体管)连接起来。但是研究人员认为,如果像半导体行业预计的那样——2020年硅集成电路的规格降至10纳米,其电路将会严重的漏电。今年,Intel和IBM宣布将在即将问世的45纳米的晶体管中添加新的防漏电材料。

目前最关键的问题是下一步该使用什么材料。也有不少材料被推荐。同碳纳米管一样,石墨层能满足第一个要求:它是电的超良导体,这一特性优于许多半导体。和碳纳米管一样,每个碳原子周围有3个相邻原子和一个未共用的电子,因此能够灵活的进行移动传导。

但是,纳米管结构紧密,很难分离和精确排布。为了形成电路,研究人员只好使用大量的导线,这样会造成导电性能的损失。乔治亚州科技学院的沃尔特·德希尔(Walterde Heer)一直从事这方面的研究,他说:“从一开始,碳纳米管的合成电子技术就被过分的夸大了。但是石墨层却不同。”

研究人员设想从大的石墨层晶片中压印出电路,和目前通过硅片压印一样。但是如何完善这些晶片却是一个大问题。杰姆说,这里又有一个可能需要较长时间解决的疑问:即石墨层是否能够被切割成可实际应用的小片,“真正意义的二维材料直到2004年才问世。”

让概念变为现实

硅面上褶皱的石墨层

石墨层并不是一个新概念。一块石墨就是由一层层的石墨堆积而成,就像一叠卡片一样。而铅笔尖滑过纸面会留下痕迹也正是利用石墨的这一特性,其根本原因就是有些石墨层被剥离后“潜”入了纸张的纤维中。研究人员通常也这样认为:碳纳米管就是卷起来的石墨层。

但是很多人认为,分离出单层的石墨层是不可能的,即使分离石墨层的力不损伤石墨层,石墨自身的放热也会像焚纸一样,摧毁石墨层。

然而,有些人偏偏不理会这些说法而甘愿一试。哥伦比亚大学的物理学家菲利普·凯姆(Philip Kim)从2002年开始从事该项目的研究,他采用的方法是通过原子力显微镜来拖动微小的石墨棒,就像精巧和灵敏的留声机唱针一样。2003年,德希尔也获得Intel芯片制造商的许可,致力于从硅碳混合物中分离石墨层。

接下来是杰姆,4年前他发明的壁虎胶曾荣登新闻头条。他是一个喜欢尝试最前沿项目的科学家,并称赞整个纳米管技术体系非常棒。纳米管近些年来得到的关注激发了他的研究热情,于是从2002年秋开始,他便致力于石墨层的研究。他不动声色地说:“摆脱他人思想的左右是物理学家前进的重要动力。”

2004年《自然》杂志的一篇文章报道了杰姆和他的同事取得的成功。他们成功分离出单层石墨层,将其铺在硅的表面,并连接了电极测定了不同电压下的带电量。

“这真是一个了不起的过程”,凯姆笑着说,他一直看好的是针剥离技术。“他们抢先了”。

无质量的电子引起关注

杰姆说,几乎没有人关注他们的成果,甚至在他们成功地向公众展示了如何利用一个类似于铅笔的工具制作石墨层后也无人问津。

直到第二年年末,当他和凯姆分别独立的证实了20世纪40年代的一个预测后,该领域才得到广泛关注。他们将石墨层置于磁场中,观察到石墨层的电阻逐步增加,该现象被称为量子霍尔效应。先前,该效应已经通过两种方式被观察到(都获得了诺贝尔奖);而他们通过石墨层(用第三种方式)也观察到了该效应。

这让研究人员很为难。加利福尼亚大学欧文分校的菲利普·柯林斯(Philip Collins)也从事纳米技术的研究,他打了个比喻:就好像有人在一个电话本上压了一张复写纸,并用力拍打,污染了其中的一页。你可能认为这一页纸没用了,但是实际上并没有,纸上的电话号码还是可以读出的。凯姆实验室的帕布鲁·J·赫雷罗(Pablo J.Herrero)说,研究纳米管技术和量子霍尔效应的人员,同样也关注着石墨层技术,他自己就是其中的一位。

波士顿大学的材料理论学家安东尼奥·C·尼托(Antonio C.Neto)曾经预测过新的量子霍尔效应。他说:甚至连粒子物理学家都十分兴奋。石墨层的关键特性,包括良好的导电性都源自粒子物理学家十分熟悉的原理。大多数粒子,包括电子都有质量。就像台球一样,只要外界施力(例如台球杆),它们就会运动。获取的能量越大,运动的速度越快。

而光子则相反,它们没有质量,不停地以一个恒定的速度运动,那就是光速。杰姆和凯姆证实了石墨层的电子可以有效地失去质量。无论携带多少能量,它们都会以光速的1/400速度不停地运动。

为了描述加速器产生的或宇宙其中接近光速运动的粒子,物理学家引入了爱因斯坦的狭义相对论,这一理论对于石墨层同样适用。

凯姆同时声称:纳米管也有同样的特性,实际上是比石墨层更好的导体,因为它会强迫电子沿直线运动。而石墨层则较平坦,其电子的相对论运动更明显,更容易被探测到。

宣传有力还是宣传过度?

杰姆认为,石墨层中的无质量电子使其导电性于电子的数量无关,无论是多个电子,还是少数电子或者甚至只有一个电子都能保持良好的导电性。例如:在硅内部运动的电子在散射前能将阻碍其运动的粒子平均弹开10纳米。

但是在某种程度上,石墨层的电子倾向于从平面扩展成列状,压在混杂物上,就像卡车的轮胎从坑洼上走过一样,使得电子运动的距离比硅远100倍,接近1微米。

你能把它放在芯片上面吗?图为石墨层设备与蚀刻过的石墨层

杰姆说:“石墨的这种特性给我们的第一印象是它的导电性太好了,目前我们的想法是如何将其应用于电子行业”。

对此凯姆说:“能够以最低的成本替代硅的材料将最终占领市场,但是仅从数十个原子的角度看,石墨层可以和硅相媲美。”

当然,将纳米数量级的电路压印在飞盘大小的石墨晶片上也存在着一些潜在的障碍。柯林斯认为,石墨层的优点已经被过度地宣扬了。他说:“一种仅有3年历史的材料根本没法跟硅这样成熟的材料来对比”。

其中一个难题出在“飞盘”上。德希尔报道了他的一些成功经验,即采用加热硅碳化合物的方法使碳原子升至表面,形成一层或几层原子层。但到目前为止,他还没有观察到量子霍尔效应。这说明用他的方法制成的石墨层与用胶带制成的石墨层还是有一些重要的差别。

这样就产生了一个难题,如何控制石墨层上的电流。硅以及其他半导体只传输带有某种能量的电子,并阻隔带有其他能量的电子。纳米管也有同样的特性,被称为禁带,而石墨则没有这个特性。

石墨层的前景

研究人员对于解决这个问题已经有了一些初步的想法。今年3月,杰姆的研究组报道他们采用将单层石墨层在沙漏中塑形的办法实现了电流的调节。位于沙漏细窄处的一个电子能够阻碍其他电子通过,而且就在室温下,没有苛刻的环境要求。

凯姆的团队也在与IBM合作研究另外一种方法,研究组成员赫雷罗在3月份举行的美国物理协会会议上发布了此方法的相关信息。他们方法是将石墨层塑成10纳米宽的石墨带,根据他们的研究结果:电子只能携带一定能级的能量,被限制在石墨带中的电子只有获取更多的能量才能越至下一个能量级,这样就创造了石墨层中的禁带。

蚀刻这些小石墨层又是一个难题。尽管杰姆认为可以借助硅蚀刻技术的改进,但实际上存在一定的困难。蚀刻技术会造成切边十分粗糙,因为与切离的碳原子组成化学键的电子就像松散的线头一样阻碍电子通过,减少石墨带电流的通过。凯姆说,石墨层的热衷者必须想办法修补这些切边。

柯林斯说,纳米管自身是卷曲的,这样就很巧妙地解决了这一问题。赫雷罗还作出了对未来的设想:最理想的方法是发明某种结构将碳纳米管和石墨层结合起来。或者,如果研究人员能够发明更精确的碳纳米管操纵方法,碳纳米管会重新吸引学术界的关注。

最后杰姆说,石墨层很可能还需要至少十年的研究历程。在硅集成电路还未降至10纳米前,不会碰到真正的对手。以前就曾有很多关于硅集成电路被淘汰的说法。但是说法归说法,毕竟做起来很难。就硅集成电路目前的作用和地位,要想淘汰它比阻止列车的前进要困难的多。当前,石墨层仅仅是启动该项目的一个小小引擎。