石墨烯的永恒遗产

在发现这种材料 20 年后，科学家们仍在努力释放这种独特材料的全部潜力

阿林达姆-戈什（Arindam Ghosh）第一次了解石墨烯是在 2004 年，当时他正在剑桥大学做博士后。他当时正在聆听曼彻斯特大学物理学家康斯坦丁-诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）的演讲，后者描述了一篇即将发表的关于发现这种新型 “神奇 “材料的论文。”我是当时与他交流的人之一。阿林达姆回忆说：”那是一场引人入胜的演讲，我们都期待着论文的发表。

这篇《科学》论文发表于 2004 年 10 月，描述了康斯坦丁和他的顾问安德烈-盖姆（Andre Geim）首次成功分离出单片石墨烯。这被誉为一项巨大的突破，几年后两人因此获得了诺贝尔奖。

2005 年我回到印度时，我意识到这是研究石墨烯的大好时机，阿林达姆回忆说，他现在是印度国际科学院物理系教授，与其他尖端材料不同，石墨烯研究不需要使用高质量的设施来获取材料，因此无论你是在麻省理工学院、哈佛大学还是其他地方，都能产生奇妙的均等影响”。

今年是石墨烯发现 20 周年，科学家们相信这种材料能够改变我们的世界–从革新电子技术到开发下一代材料。石墨烯不仅薄得令人难以置信，而且是终极的微观积木。想象一下，单层碳原子排列成蜂窝状，比纸薄一百万倍，但其强度可与链甲相媲美。这种独特的组合，加上其卓越的导电性和无与伦比的耐热性，自发现以来就深深吸引着科学界。

在 IISc，像 Arindam 这样的研究人员不仅在努力了解石墨烯的独特性质，还在解决将其大规模集成到未来技术中需要克服的障碍。

阿林达姆介绍道：”石墨烯的发现是多年努力的结果，可以追溯到 1947 年，当时理论家们预测了石墨烯的现有特性。2004 年之前，研究人员曾尝试将石墨浸泡在极端环境中–例如浸泡在液氦中–以分离石墨烯层，但收效甚微。曼彻斯特团队找到了一个巧妙的解决方案。他们意识到，扫描隧道显微镜专家通常使用苏格兰胶带来获得干净的石墨表面。因此，他们用苏格兰胶带反复剥离石墨，然后将其转移到玻璃或二氧化硅（SiO2）晶片上。这种简单而巧妙的方法以及他们对石墨特性的理解，最终成功分离出了单层石墨烯。后来，他们又发现了一种更简单的方法–用苏格兰胶带将石墨压在二氧化硅晶片上，但却留下了单层石墨烯。

石墨烯之所以意义重大，不仅因为它具有优异的性能，还因为它为未来的应用带来了希望，无论是在电子、聚合物还是航空业的轻质结构方面。”阿林达姆补充说：”此外，石墨烯的发现还引发了对其他二维材料的广泛研究，从根本上开创了一个新领域，并带来了新的物理学和技术展示。

深入研究

在阿林达姆返回印度前后，印度国际科学院获得了一台最先进的光刻设备。在氦-3 冷却系统和可以进行石墨剥离的学生团队的帮助下，阿林达姆开始深入研究石墨烯的基本特性。

阿林达姆回忆说：”我们的第一个目标是研究噪声。尽管石墨烯被誉为 “下一个硅”，但科学家们很快意识到，由于石墨烯的带隙为零，它无法成为标准的电子元件。不过，石墨烯在其他电子应用领域具有潜力。”阿林达姆说：”我们小组专门研究电子学，我们对噪声测量很感兴趣。因此，我们启动了一个项目，以了解石墨烯是否是一种噪声导体–这可能会限制其电子应用–以及我们能从噪声测量中获得哪些信息。”

电子束光刻技术用于二维石墨烯薄片与金属电极的接触。前学生 Atindra Nath pal（左/前）和 Saquib Shamim（向/后）（照片提供：Arindam Ghosh）

石墨烯是典型的单晶体，缺陷极少，因此理想情况下应该是无噪音的。那么噪音从何而来呢？它来自两个外部来源：触点和基底。此外，光刻工艺使表面接触到化学物质，也会产生噪声。这三个噪声源都需要解决。”在接下来的两年里，我们完善了制造更高质量石墨烯器件的技术。最终，经过大约 10-12 年的不懈努力，我们在 2020 年实现了噪声最低的石墨烯。

2012 年，他的实验室实现了又一次飞跃。他们首次尝试将石墨烯与另一种二维材料二硫化钼结合起来，发现这种混合材料在探测和响应光方面优于二者。这为材料科学和设备工程开辟了新的可能性。

石墨烯的潜力不仅限于电子领域。在复合材料中，石墨烯可以帮助增强抗气性或抗拉强度。石墨烯还能与生物物种有效结合，为生物传感提供了可能性。许多研究人员正在探索将石墨烯用于早期疾病检测–将抗体附着在石墨烯表面，从拭子或血液样本中检测抗原。

阿林达姆承认：”虽然石墨烯拥有巨大的潜力，但将这种潜力转化为现实世界的应用却面临着挑战。”

扩大规模

如果石墨烯要真正实现商业化，就需要大型晶圆级生产设施和技术。IISc 纳米科学与工程中心（CeNSE）教授兼主席斯里尼瓦桑-拉加万（Srinivasan Raghavan）说，这正是化学气相沉积（CVD）等工艺的用武之地。他的实验室不仅关注石墨烯的大规模制造，还关注氮化硼和硫化钼（MoS2）等其他二维材料的大面积生长。”他解释说：”要制造电子产品，我们需要金属（石墨烯）、半导体（MoS2）和绝缘体（氮化硼）的整体调色板。

单层石墨烯在两个金电极上形成桥梁。在 CeNSE 制备的装置（图片提供：Krishna Balasubramaniam）

2009 年，纳米科学研究员罗德尼-鲁夫（Rodney Ruoff）团队在《科学》杂志上发表了一项具有里程碑意义的研究，展示了如何在大铜片上沉积石墨烯。”大约在那个时候，我们的团队主要从事氮化镓（GaN）的研究。阿林达姆知道我们在 CVD 方面的专长，于是联系了我们，问我们是否可以生长石墨烯。当时，我对石墨烯还没有太多关注。不过，我决定接受挑战，并让我的学生塔努什里-乔杜里（Tanushree Chowdhury）来解决这个问题，”斯里尼瓦桑回忆道。

Tanushree 和团队将一块铜板放入他们用来制造氮化镓的 CVD 反应器中，并将一根装有甲烷气体的管道插入其中。他们立即观察到了石墨烯的特征拉曼光谱峰。”令人惊讶的是，我们第一次尝试就成功地生长出了石墨烯。我为之感到惊喜和震惊。作为一名博士后，我花了一年时间才培育出一层氮化镓，”斯里尼瓦桑说。他和阿林达姆共同发表了一篇论文，他们的学生都是论文的共同第一作者。”这是印度第一篇关于大面积石墨烯的论文。

有了这次尝试的支持，斯里尼瓦桑认为大规模生长石墨烯将会非常容易。”他承认：”我觉得自己有点过于自信了。”后来，事实证明我错了。我们意识到，当石墨烯大面积生长时，它通常不是单晶体，而是多晶体。”斯里尼瓦桑以前的学生克里希纳-巴拉苏布拉马尼安（Krishna Balasubramanian）现在是德里印度理工学院的一名教师，他发现石墨烯在铜箔上以片状的形式成核和生长。它们相互融合，形成晶界和称为三重结的缺陷。

“当考虑将石墨烯或其他二维材料用于需要大面积生产的电子设备应用时，稳定的层是至关重要的。他说：”在我们的实验室里，我们可以在 1 英尺乘 3 英尺的铜板上涂上主要为单层的石墨烯，通过调整条件来尽量减少双层斑块。

Srinivasan 说，由于石墨烯是逐层生长的，因此大规模制造也为科学家们提供了了解原子层生长机制的机会。”这让我们对理解和改进晶体生长有了更深入的了解”。

尽管大规模石墨烯的生长面临挑战，但斯里尼瓦桑等人仍为其巨大的实际应用范围感到鼓舞。

例如，即使是充满缺陷的大面积石墨烯也可用于包装。”包装应用可分为两大类。一类涉及高科技、轻质、柔性电子产品包装，石墨烯可提供不渗透的电磁干扰屏蔽层，”斯里尼瓦桑解释说。”另一类是生态友好型包装解决方案。例如，纸张和生物降解塑料都具有透水性。石墨烯层能否使其具有足够的防渗性和坚固性？石墨烯涂层材料可以取代铝涂层塑料或利乐包等难以回收的材料，因为它们更加环保。

Srinivasan 还与材料工程系教授 Praveen Ramamurthy 合作，证明石墨烯可用于太阳能电池的封装。”他补充说：”用含石墨烯的聚合物混合物封装太阳能电池，使用寿命会更长。

阿林达姆和斯里尼瓦桑认为，优先考虑此类应用的时机已经成熟。”阿林达姆说：”走向现实世界的应用和商业可行性，对石墨烯的未来至关重要”。