“天才少年”曹原导师Pablo Jarillo-Herrero又发Nature：石墨烯这20年！

引言

在2004年，Novoselov等人通过简单的胶带剥离法成功分离出石墨烯，这一突破性发现引发了科学界的广泛关注。石墨烯不仅在室温下保持稳定，还展现出卓越的电导性，挑战了先前关于二维材料的理论。此项研究的直接影响深远，促使科研人员深入探索石墨烯及其他二维材料的独特性质。随着研究的不断深入，石墨烯成为新材料科学和凝聚态物理学的重要研究对象。如今，石墨烯及其衍生材料在电子、光电和能源领域展现出巨大的应用潜力。

近期，麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero教授在《Nature》上发表了题为《The Discovery That Stuck — 20 Years of Graphene》的观点论文，回顾了这一发现对科学界的深远影响，探讨了过去二十年间石墨烯研究的重大进展以及未来的研究方向。

主要内容

物理定理指出，量子波动阻止了晶体（或任何其他）秩序在二维空间中存在。因此，想象一下当审稿人首次阅读一篇报告直接实验证据的论文时，他们面露困惑的表情：原子薄膜石墨不仅存在，而且在室温下稳定——并且导电性能极其良好。是什么阻止了这些碳原子层熔化或甚至飞散成碎片？事实证明，现实生活并不总是遵循数学定理的假设。显然，审稿人同意了这一点，20年前，《科学》杂志发表了一篇由Novoselov等人撰写的论文，展示了“石墨烯”层的存在。

这篇论文在多个方面开创了先河。首先，作者用以分离单层碳原子（石墨烯）或少层（少层石墨烯，FLG）的方法极具巧妙、创造性且惊人简单。该方法涉及使用普通的胶带从石墨晶体表面剥离原子层，然后将胶带按压到基底上（见图1a）。令人惊讶的是，当研究人员取下胶带时，他们发现基底上满是薄的石墨片，包括石墨烯和FLG。直到今天，从事石墨烯研究的大多数团队（包括我自己的团队）仍然继续使用本质上相同的方法来分离该材料。

图1 | 二维奇迹材料。a. 2004年，Novoselov等人发现他们可以使用胶带从石墨晶体上剥离碳原子层，以剥离称为石墨烯的材料，基本上是二维的。他们还发现，石墨烯是一种优秀的电导体。b. 自那时以来，这个团队和其他研究人员揭示了石墨烯的更多惊人特性。例如，当两层石墨烯堆叠在一起并旋转时，它们形成一种“扭转双层”，与单层不同，它可以是电绝缘体或超导体（电阻为零）。

Novoselov等人是幸运的——事实证明，石墨烯和FLG片在简单的光学显微镜下可以很容易被肉眼看到。这使得作者能够快速可视化他们机械剥离实验的结果，并通过测量光学对比度来表征薄片的厚度。光学显微镜仍然是成像石墨烯（以及后来发现的许多“二维材料”）的最常用方法。该技术经历了一些改进，比如借助人工智能增强显微镜，可以高精度、自动化地识别和计数材料的层数。

FLG薄片在环境条件下（关键是标准纳米加工程序所施加的条件）是稳定的。这意味着它们不受在上面附加电接点过程的影响，这使得Novoselov等人能够展示FLG薄片的良好导电性。第四，由于石墨是一种称为半金属的材料，FLG薄片中的电荷载流子密度与典型金属相比较小。这使得作者能够构建在施加到附近金属电极的电压变化时，其电阻可以变化几个数量级的器件。

当Novoselov等人冷却他们的FLG样品并施加大磁场时，他们注意到电阻显示出量子振荡，这种特性在许多量子系统中很常见。这表明这些薄片具有实现新量子现象和器件的潜力（这在随后的几年中得到了证明）。

尽管这一惊人突破，但可以公平地说，这篇论文的影响直到次年才得到充分认识。当年发布了两篇论文——其中一篇来自Novoselov和同事。两篇论文都表明单层石墨烯中的电子表现得像是零质量粒子，以与其能量无关的恒定速度运动；在某种程度上，它们更像是在高能物理加速器中飞行的粒子，而非在晶体固体中的电子。同年，Novoselov和同事还展示了胶带剥离法可用于隔离其他几种超薄晶体薄膜。二维材料研究正式开始，Konstantin Novoselov和Andre Geim因此获得2010年诺贝尔物理学奖，以表彰他们在二维材料石墨烯方面的开创性实验。

很难夸大2004年论文对凝聚态物理学和材料工程的影响。一个简单的指标是，它在Web of Science数据库中获得了超过50,000次的引用，使其成为历史上引用最多的物理论文之一，反映出全球数千个研究组开始从事二维材料研究。这些研究人员不仅包括物理学家，还有化学家、材料科学家、电气工程师，甚至是医学工作者。是什么导致了这种非凡的兴趣？部分原因是石墨烯的特性包括许多超越常规的特性：它是最坚固、最薄的材料，也是热和电的最佳导体。此外，石墨烯并不是唯一的二维材料，这意味着许多不同的研究线索都可以追溯到Novoselov及其同事的初步结果。

二维材料家族现在包括绝缘体、半导体、晶体磁体、晶体铁电体（铁电体是指显示自发电极化的材料）、超导体（电阻为零的材料）——这个列表还在继续。在许多情况下，这些二维晶体的行为与其三维对应物有显著不同，而且它们往往更容易被“调谐”（例如，通过改变层数或电荷载流子密度）。因此，研究人员预测了许多潜在的科学和技术应用，其中一些正在开始实现：超灵敏的化学和生物传感器以及红外相机是最先进入的应用之一。

二维材料的另一个关键方面是它们可以叠加在一起，形成“异质结构”，这在某些方面类似于用孩子的乐高积木建造的结构。但乐高积木必须相互对齐或垂直叠放，而二维材料则没有这种限制：它们可以以晶格间的任意扭转角度叠加。而这些扭转的异质结构的性质可能与其组成层的性质大相径庭（见图1b）。例如，大约1度的扭转角度可以将堆叠的石墨烯片（既不是绝缘体也不是超导体）转变为一种显示绝缘和超导行为的异质结构，这归因于其电子之间的相互作用。

这个领域通常被称为“扭转电子学”（twistronics）或“莫尔量子物质”（moiré quantum matter），因为两个晶格的叠加形成了一个称为莫尔晶格的干涉图案，已成为二维材料研究中最活跃的领域之一。值得注意的是，在过去六年中，扭转电子学研究人员能够实现几乎所有已知的量子物质相，通常具有非常规特征。他们甚至发现了完全新的量子相和效应，包括去年在扭转莫尔异质结构中实现的分数量子反常霍尔效应。

二十年前开始的旅程仍未结束，二维材料的研究持续增长。研究这些材料的人员以惊人的速度取得了关于基本物理的重要发现，这令人充满信心。例如，手性或“偏手性”是一种不仅影响许多物理系统行为的特性，还在化学和生物学中发挥重要作用，这种特性可以在扭转异质结构中得到探索和精确调节。

在技术方面，尽管仍需谨慎乐观，但也有理由感到乐观。生长大规模、高质量石墨烯和其他二维材料的技术正在迅速改善，工程师们越来越愿意将这些材料纳入器件制造平台中。然而，特别是对于石墨烯以外的材料，二维样本的质量必须进一步提高，制造具有任意扭转角度的微型异质结构的方法必须实现自动化。这些努力将需要大量资源以及物理学家、化学家和工程师的全部聪明才智。但这种努力的回报可能是巨大的，可能为未来几十年铺平整个纳米技术的发展道路。

结论展望

综上所述，在2004年发表的关于石墨烯的开创性研究，不仅颠覆了二维材料的理论预期，还激发了广泛的科学探索与技术应用。通过简单的机械剥离方法，研究者们成功获得了单层石墨烯，并揭示了其优异的电导性和独特的量子特性。这一发现引领了二维材料研究的新浪潮，推动了各种新材料的探索，如超导体、绝缘体和铁电材料等，形成了一个日益丰富的二维材料家族。尤其是“扭曲双层石墨烯”研究的兴起，展示了二维材料在调控电子行为方面的潜力。尽管挑战依然存在，尤其是在提升材料质量和制备工艺方面，但随着研究的深入和技术的进步，二维材料有望为未来的纳米技术和电子器件的发展铺平道路，成为新一代技术的基础。

文献信息

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