技术引领未来，材料新突破可能来自石墨烯和原子晶体

石墨烯。来源：Olive Tree

我们可以用合理的的层次来处理分层结构吗？如果真的能按照我们想要的方式排列原子的话，材料的性质到底是什么？

1959年，好奇的美国物理学家Richard Feynman在他的里程碑式的演讲中提出了这些问题。采用量子力学，他提出了“在原子尺度上操纵和控制物质”的深刻想法。

当时这种想法有点牵强附会，现在操纵原子层已经是一个主要的研究领域。为了实现Feynman的愿景，IBM和美国贝尔实验室的研究人员设计了一种新的方法来构建材料层，这种方法就是分子束外延或MBE。

这种方法可以比作原子喷涂。当你开始蒸发超纯的原材料时，如镓、铝或铟，将它们与砷或磷之类的物质结合起来。蒸发的原子通过真空室飞向由类似材料制成的基底层。原子粘在基底上，慢慢地一次形成一个原子层。超高真空可以确含有的保杂质量最小。

原子的设计师

虽然这个过程相对缓慢，通常只有几分钟，但精确度却很高。它允许技术人员将不同的半导体材料堆叠在一起，以产生异质结构的晶体，这种特殊的结构可以具有非常有用的特性。例如，通过交替堆叠砷化铝和砷化镓层，可以生产一种非常好的储存电能的材料。

这项技术在20世纪90年代和21世纪初得到完善，科学家就此能够控制特定晶体中电子的数量和能量。既然光与这些电子相互作用，那么对电子行为的更多控制意味着，你也能控制它们如何被光激发。

异质结构导致了许多新的发现，特别是关于粒子的量子行为，例如电子在其中的量子行为。诺贝尔物理学奖五个不同的时间（1973, 1985, 1998，2000，和2014）的奖项已被授予这方面的研究，并由此产生材料革命性的进展。

半导体异质结构使太阳能电池、LED、激光器和超快晶体管成为可能。即使是因特网也可能变成这样：发送光脉冲的激光在网络上编码信息位是由异质结构构成的，就像测量光脉冲和解码信息的光电探测器一样。

然而，这其中有一些限制。这些异质结构的原子尺寸、间距排列在没有缺陷的层之间不可能太相似。这限制了可能的材料组合和自由设计电子和光学特性的潜力。

波纹能量到材料边缘。来源：海里奥瓦特大学

进入二维晶体

超薄材料的最终是单层原子。幸运的是，大自然设计出了这样的“二维晶体”。最著名的是石墨烯，它只是碳原子排列成六边形的图案。

石墨烯比钢强，导电性好于铜。它有许多独特的，具有特殊情调的电子、光学和机械特性——如诺贝尔物理学奖在2010年所发现的那样。

在一个完美的石墨烯晶体中，所有原子彼此完全结合，没有悬空键。通过使用透明胶带剥离石墨层是很有可能的：石墨实际上是由范德瓦尔斯力保持在一起的许多石墨烯层，它们远远弱于石墨烯每一个组成片中的键。

除了石墨烯，还有许多其他的2-D晶体，每个都具有独特的特性。有几种自然地存在于地上的宝石中，如二硫化钼，这是一种重要的工业润滑剂。其他材料可以通过分子束外延，如绝缘体氮化硼。

就像石墨烯是石墨一样，科学家们从大量的化合物中剥离（或剥落）单个2-D片材。这些薄片的固有薄度意味着它们可以与前面描述的异质结构完全不同。不同的原子级薄材料可以是绝缘的、半导体的、金属的、磁性的或甚至超导的。

科学家还可以随意挑选、放置和组合这些材料，形成新的异质结构，称为范德瓦尔斯异质结构，导致2-D片材具有不同的特性。最重要的是，它们的分子束外延不像它们的表兄弟一样有局限性。它们可以包括非常不同的原子晶体层，使不同材料的组合成为前所未有的可能性。

例如，您可以将磁性层与半导体和绝缘体结合，形成不吸收层间水分或氧化物等污染物的绝缘子——这对于外延异质结构是不可能的。我们可以用来制造用电来控制磁力的设备，这是硬盘驱动器中磁性存储器的基础。

你也可以把两个相同的原子层叠成一个角度。这产生了一个称为莫尔图案的晶格，这些晶格提供了一个新的自由度来设计电子和光学特性。我们目前在伦敦皇家学会夏季展览中展示了这些图片。

虽然范德瓦尔斯异质结构仍处于萌芽阶段，但是它们令人印象深刻的物理潜能已经出现。这些更小、更轻、更灵活和更高效的太阳能电池、LED、晶体管和磁存储器不久的将来将会用上它们。

未来，我们可以期待以前没有面临到的惊喜。一个早期的例子是，最近发现，当你把两层石墨烯以“魔角”相对的方式扭转时，电子会变成超导性质。这一突破尚不清楚，但是这有可能解开30年来，电子如何在不损失任何能量的情况下导航超导体的奥秘。它可以让我们在室温下使用超导体，从医学成像和量子计算机到远程传输电能都有潜在的好处。

然而，预测技术成果并不容易。Herbert Kroemer曾在2000年度获得诺贝尔奖，他开发用于高速和光电子的半导体异质结构，他经常说：“任何新技术和创新技术的主要应用是这项技术带来的应用。”未来难以预测，但是不可否认的是，石墨烯和其他二维材料将会对材料领域产生重大影响。