张远波:石墨烯和它的兄弟姐妹们

 

2017年9月30日,复旦大学张远波教授于墨子论坛分享人类材料的发展历史。材料也可以说是人类文明发展的象征,从真空三极管到硅,从超大规模集成电路到用胶带撕出来的石墨烯,材料的变迁推动着文明的发展。

张远波教授说:“当Moore定律遇到瓶颈,当新材料不断刷新器件的微小程度,未来的我们能不能把神威电脑装在手机里呢?"张远波:大家好,我是张远波。首先感谢主办方,给我这个机会跟大家聊聊石墨烯和它的兄弟姐妹们。石墨烯大家都很熟悉,从报纸上新闻里面听到各种各样石墨烯的新闻,它其实还有很多兄弟姐妹。

“我们唯一的局限,是我们的想象力。”

 

张远波教授:2013年度求是杰出青年学者奖得奖人

 

张远波:大家好,我是张远波。首先感谢主办方,给我这个机会跟大家聊聊石墨烯和它的兄弟姐妹们。石墨烯大家都很熟悉,从报纸上新闻里面听到各种各样石墨烯的新闻,它其实还有很多兄弟姐妹。

在开始石墨烯的讨论之前,我想先聊一下我们整个材料的发展历史。如果说我们回到史前,我们人类的早期历史其实是由材料定义的。我们经过石器时代、青铜时代、铁器时代,这些都是材料。如果说我们按照这个惯例,为我们我们这个时代找一种材料来定义的话,毫无疑问就是硅。不光是从我们现在需要的平时的计算机、电脑还有能源方面,比如太阳能电池,统统都需要硅的特殊性质。

真正硅开始进入我们生活的一个开端,这是1947年,美国的贝尔实验室发现硅这个材料可以做成一个电子开关。如果做成电子开关的话,那这个开关就可以控制另一个开关,可以一次一次连续下去。这样的话如果我们用开关的通和断的状态来定义0和1,就可以做通用的计算,这就是我们现在基本的计算原理。

在硅和半导体出现之前,我们的电子计算机其实是这样子,里面的电子开关是用真空的三极管,如果大家见过老式的收音机,打开发现里面有这样的管子,一个管子有这么大。它其实就是一种电子开关,我们知道的最早的电子计算机之一就是非常有名的ENIAC,它里面就有17000多个电子开关,还包括其他的电容电阻等等。这样一个设备大家可以想象,重量超过27吨,占了整整这样一个房间。但是它的功能其实现在看来,非常有限。它的运算速度只是比我们手工计算速度快了大概几千倍而已。

 

 

 

 

但是我们刚才说的半导体的出现,彻底改变了计算的面貌。因为半导体顾名思义,就是导体跟绝缘体之间的一种材料。这样我们就可以用有一个电压控制它的导电性能,来决定它是导通还是关断,推动一个小的电压,来控制中间这一薄层的半导体,这样就可以建造一个电子开关。

我们知道因为这个控制的材料只能控制薄薄的一层,如果太厚的话没法控制了,所以说这个器件本身就是一个界面。这反而是一个好现象,因为这样的话我们器件可以做得很小。所以有了这个半导体器件之后,原本这么大的真空管就可以做得很小。在一九六几年的时候,这是另外一个重大发现,美国Texas Instruments的Kilby发现,其实我们可以在一个芯片上面,很多的器件很多的电子开关集中在一块,实现一个更复杂的功能。然后从此就一发不可收拾,就可以把那么多电子器件整合在一个小小的芯片上面,来完成更复杂的功能。所以从那时候开始,半导体一直沿着这个路径发展到今天。

所以在六几年的时候,科学家就已经实现在一个芯片上集成十个左右的电子器件,这样的功能我们称之为小规模集成电路。在1968年的时候,就可以把几百个器件集成在一个小芯片上面,称之为中规模集成电路。然后继续往下发展,到1971年的时候,可以到两万个器件在一个小的芯片上面,所有的这些器件都是一次成型,大大节省成本。

在1980年的时候,就到了一百万个,这个就称之为超大规模的集成电路。可见工程师对起名字很不讲究,一直用这个思路来取名。现在已经到了一百万以上,所以就叫做极大规模集成电路,我们现在的芯片数目远远多于这个,但名字还叫极大规模集成电路。这样就是一个芯片,极大规模集成电路,上面每一个小块就有成千上万的电子元件在里面,我们肉眼已经看不到了。

  

 

为什么这些厂商,拼命地把这些器件做得很小,然后塞在一个芯片里面,这是基于这样一个分析。这个分析是IBM的Robert Dennard他们在八十年代做的一个分析。

如果我们把芯片做得小,在同一个面积上面的密度增大一倍的话,计算机的运行速度就可以增大一倍,这是完全成比例的。所以我们如果把器件做小,而且把密度变大的话,只有好处没有坏处,好处就是我们可以做更复杂的东西,可以做更快的计算。 所以这也是为什么,我们从六十年代开始一直到今天,继续把样品变小,把线做得更密。

在1961年的时候,Gordon Moore他就总结出来一个规律,他就发现每过十八个月,芯片密度就会增加一倍,随之而来的结果就是每过十八个月,芯片的速度就会增加一倍。这样一个每过一段时间的成倍增长,这其实是一个指数的增长,指数增长是非常快的。

所以假如说我们把历史上这些计算机的节点画在这个图上的话,会发现他确实是这样的关系,从六几年到现在都还遵循Moore的这个规律。如果说我们继续往下,假设这个数据可以一直延续下去的话,这个我们可以来看一看,按照这个规律预演,在2023年的时候,一台计算机的计算能力,已经跟我们人脑的计算能力相媲美了,这是一个非常快速的增长。如果说我们继续往下,假设规律还是可以继续延续的话,在2045年的时候,一台电脑的计算能力,(相当于)人类所有的大脑和计算能力加一块儿,这是一个非常惊人的计算能力,将会彻底改变我们的生活面貌。但实际上我们的生活面貌已经被这些半导体的计算器件已经彻底改变了,我们每天用着电脑、手机等等,无一不依赖于我们在半导体上面的进步。

 

  

 

给大家举一个例子,就是这样的一个指数增长,到底有多快?在座的各位嘉宾,可能还会记得在1997年的时候,一个巨大的事件,就是IBM的深蓝,第一次打败了世界象棋冠军卡斯帕罗夫,当年他们用的这台超级电脑,在当年的排名是259位,还不是最好的电脑,但是已经打败了我们人类里面最厉害的国际象棋大师。这台电脑的计算能力一秒钟可以有11.38个giga,等于十的十二次方这么多运算,这是他的计算速度。

但是仅仅过了二十年,华为即将在10月份发布的Mate10手机,它的计算能力是580个gigaflops,也就是说我们现在的手机,现在已经比当年的超级计算机,它的能力要强了很多。所以我们的手机可以轻易地打败世界上最厉害的国际象棋大师,这样一个进步的速度是非常惊人的事情。

这边还要提一下,如果我们把很多的芯片组成一块、组成超级计算机的话,计算能力可以一直往上增加。现在最好的最强的超级电脑在中国,这是最近中国制造的神威超级电脑,它的运算能力是每秒钟做93乘以10的15次方次运算。大家也可以按照Moore定律做推测,说不定过了几十年之后,我们口袋里的手机就已经可以跟这个超级计算能力相匹配。

 

  

 

我们做的这些推测,多少年之后我们的计算机能够跟人脑比拟,甚至可以跟全人类的人脑的计算能力加起来相比拟,必须依赖的就是这个假设,Moore定律在以后的几十年里面也还是成立的,可以一直发展下去。但是实际上其实已经碰到了困难。这个困难是什么呢?

当年在做这个分析的时候,忽视了一些在当时看来并不是什么很重要的事情,因为当时的器件还比较大,还没碰到这些问题。但是如果器件做的更小的时候,就会碰到一些他当时忽略的问题,简单来讲就是这个器件性质不好。

我们想要的一个理想开关是关断的时候是完全关断,没有任何电流走过去。但是如果器件做得更小的时候,关掉的时候照样有电流可以过去,这个时候电流完全是一个有害的,造成器件发热,所以我们的CPU用了一会儿之后就发热就是这个道理。还有就是,这样的话器件就没法正常工作了,因为漏电的关系,我们就没法判断它到底是打开还是关断的,这样就有一个非常严重的问题,就是器件没法做更小。

Moore定律依赖于器件可以一直更小下去,这样的话就碰到一个根本性的问题,接下来我用一张幻灯片给大家讲一下这个问题,大家理解起来会更容易。这就是一个我们在电脑里面之前用的传统的MOSFET半导体系列,我们在门电极上加电压,在中间这个信道控制关断和打开。如果我们加一个电压之后,中间就导电了。但是我刚刚提到的,就是这个门电极只能控制薄薄的一层,它无法控制更厚的。所以这地方的材料无法控制,这地方做小之后,电流可以从这边直接漏过去,就产生了漏电效应,这就是问题的根本所在。

 

  

 

其实在十几年前,在一二十年前的时候,工程师已经注意到这个问题,就是有这样的漏电现象。当时发明了这样一个结构,发明人还是一个伯克利的华裔教授胡正明,他的想法就是这个器件不把它平躺在平面上,而把它竖起来,像鱼鳍一样,所以就把它叫做叫FinFET(鱼鳍场效应管)。这样的话我就可以把门电极包裹起来,这样门电极对材料就有一个更好的控制,可以暂时绕过这个问题。所以我们现在用的手机里面用的这个晶体管,其实就是长这样子。

通过很多代的不懈努力,我们现在的技术发展到什么地步呢?现在10nm的FinFET,每个竖起来的“鱼鳍”是一个器件,尺度已经到了10nm左右,而10nm已经商用化,可以用得到、买得到了。其实已经发布了7nm的器件,还是同样的价格。但是再往下的话,是不是还可以继续?现在发现不行了,5nm以下已经不能用同样的技术了,必须要找到新的办法。如果说我们照着Moore定律的设想往下发展的话,极限在哪里?我们的材料是用具体材料做的,那么极限就是单原子,7nm纳米的厚度就只有70个原子这么厚了。

所以下一步是什么?这个是半导体工程师天天在想的事情。其中一个解决办法就像我刚才说的,做的越来越薄,它就越来越逼近于单原子的厚度,极限也就是这里。但是传统的半导体是三维的材料,如果你把传统的半导体,把他做成薄层之后,它原有的半导体性质完全没有了。所以用原本的技术,把它越来越薄,这个思路是走不通的。但是传统的半导体走不通,新的材料说不定可以克服这个问题,这个是今天真正故事的主角石墨烯。它的出现当年给了这些材料学家很大的希望,它本身就是单原子,这个单原子的厚度还保持原本的特性,如果能做电子开关的话,那就能一劳永逸地解决这个问题。

 

  

 

石墨烯它的发现本身就是一个很好的故事。它是2004年,由英国的Manchester大学的Geim group发现的。其实石墨烯在发现之前一直存在于我们的身边,比如我们铅笔芯里面用的石墨,其实就是一层层的石墨烯摞起来的。如果我们想办法把单层的石墨烯拿出来研究它的话,单层的石墨其实就是石墨烯。Andre Geim和他的博士后Konstantin Novoselov在2010年因为石墨烯的发现,得了诺贝尔物理奖。物理奖的颁奖词里面就特别提到了他是因为在二维材料石墨烯里边的发现,得了这个奖。他们当时怎么找到这个材料的呢?用的工具其实就是一卷胶带,这个胶带并不是高科技的胶带,这个胶带就是我们在文具店里面可以买的到的。这里有个视频,这个视频教大家怎么在自己家里面就可以做成单层的石墨烯。

这是石墨片,很常见的材料。先把石墨片放在胶带上。两边一粘,把石墨片铺满整个胶带。这是一个很平的表面,视频里用的是硅片,其实任何一个很平的表面都可以,然后把石墨片压上去。用手压一压。揭起来,这样就成功了。剩下来我们需要把揭起来的石墨放到显微镜下去找。这边就是单层的石墨烯。在显微镜下,我们可以通过肉眼看到单层的碳原子,这是非常神奇的事情。

这个是我们在自己的实验室里面用同样的方法揭出来的石墨烯,用各种科研工具去看,确实是一层。这边这是一层,这边是三层四层等等,可以一层层看得非常清楚。在石墨烯里面,我们把石墨弄成单层之后,发现这完全就是一个新材料,它的物理跟石墨的物理完全不一样。

比如说,这个是我们实验室跟Geim实验室同时发表的一个结果。如果在磁场下测量电阻,我们发现霍尔电阻里面有这样的平台,这个平台其实是在八几年在硅里面发现的量子霍尔效应,这个效应本身是一个非常神奇的物理。
 
如果说你的原子上,如果你的测量手段够精密的话,你可以在小数点后八九位、十位的数字都可以精准地测量到同一个数,不管是谁做的样品、也不管样品的缺陷是怎样的,都可以在九到十倍保持这样的精确度。而且这样一个霍尔电阻,它只跟基本的物理常数有关,与测量设备无关、与测量的人无关。
 
我们常说从一滴水里可以看到整个世界,从这样一块石墨烯里面,可以观察到我们整个宇宙的结构,因为我们整个宇宙结构就是靠这些基本的物理常数定义的,这是新的物理了。这些新的物理告诉我们,我们在半导体里面经常讲到能带,就是在一个材料里面,它可以存在的电子态。在石墨烯里面,这两个能带中间是接在一块儿的,这两个能带之间是没有空隙的。我们回头看,石墨烯当初大家对它寄予很大的厚望,如果他能做电子开关的话,甚至于能取代硅,但是看了这个能带以后,这些人心里就会凉半截,因为如果没有能带的话,就没法做很好的开关,这个材料就没法关上,在任何时候都有电流可以通过去。所以这样能带的结构,给了石墨烯这样优美的物理,但是它作为一个应用上,就是一个无法解决的瓶颈。
 
但是石墨烯的出现给大家一个新视角,就是刚才说的石墨烯这样的材料,如果把它做成单层之后发现了一个全新的性质,这样一个想法,可以把它推广到别的材料。而且除了石墨以外,有上百种这样新的材料都是这样一层层摞起来的,只是每一层不一样而已。按照这样的想法可以寻找新的更多的材料,石墨烯不行,那是不是别的材料可以呢?现在是不清楚的,这是一个新的机会让大家去找。
 
石墨烯不行,很多材料是可能的。这里有二维硫族化合物,还有刚才陈老师提到的高温超导体等等,很多都是这样的材料。所以不光有半导体,而且还有超导体,还有金属等等,这里面是另外一个材料的小宇宙。对这些材料的探索,是材料物理、也是凝聚态物理一个前沿的问题,这是非常活跃的一个领域。
 
陈老师跟我们合作,最近找到了一个新材料,就是黑磷。黑鳞本身是一个老的材料,但是这个材料假如说我们把它做成薄层的话,发现它的能隙就长这样子,他中间是有空隙的。这个空隙我们就可以把它当做半导体来用,用他来做电子开关,如果我们把能量调在中间,这整个材料就关断了,我们就可以做一个电子开关。有了这个电子开关之后,我们就可以设想做成如果整个一个芯片上都是这种电子开关的话,就可以用起来,当作计算机的原件。这个是我们当初一块儿合作做出来的晶体管,我们发现确实是可以的,刚才设想是成立的。这也给我们很大的希望,我们现在正在想办法,把这个方法、这个材料做得更好、更大,希望看看它的性质,可以满足计算的需求。
 
  
 
 
我们刚才讨论,假如说把半导体的材料做成电子开关,而且可以把它做得很密、很小的话,是可以让我们的计算信息处理速度很快,处理更复杂、更快的计算。但是我们现在社会的计算需求,不光对计算有要求,而且对我们信息存储有要求,现在是大数据的时代,有海量数据需要我们处理。这些信息需要存储在一些介质上面,而且要有很方便的办法来读取。
 
这就是我要说的第二个方面:这些信息怎么存储起来?这个也跟我们做的材料有关,我们现有的存储介质主要还是硬盘,我们看的文章、读的信息,在我们硬盘里面长什么样子?上面一个个的条纹是一个个磁头,这上面它其实就是有个小小的磁铁,如果这个磁铁磁场方向是往上的话,我们把它设为0,它往下可以设成1,我们所有这些文本、这些信息全部转化为0和1,然后存在小小的地方。我们磁头就可以探测这个磁场,到底是0还是1,然后读取出来。如果说磁头上面用一个更强的磁场,把这个磁场的方向反转的话,因为磁铁是可以反转方向的,就可以把0和1写进去,所以有很方便的办法进行读写,这是我们现在存储的基础。当然最近这些年,我们有别的办法,比如半导体器件,也可以把这个0跟1存起来。我们现在看到的,当然也是很多代的科学家、工程师努力的结果。
 
 
  
 
 
那么现在密度最大,能做到多大?现在是在一个平方英寸大概是这么大,这个立方能存1.3T这么多的信息在里面。如果说我们来看,用多大的面积?我们用了多大的面积存储一个信息,一个0或者一个1,换算称面积的话,其实是20纳米乘20纳米,已经到了纳米量级,我们的器件到了纳米量级、我们的存储的单元也已经到了纳米量级。如果说我们把它换成原子的话,假设这是一个单原子的存储介质,我们用多少原子存储一个信息呢?大概是两百乘以两百这么大的一个面积,大概是四万左右的原子。当然现在还没做到单原子层,所以说这个大概是十万、一百万,来存单个的信息。
 
这些是我们现在技术的最前端,我们可以跳出来想想,我们到时候计算跟存储的极限到底在哪里?我们所有的这个世界是由物质来组成的,平常的物质都是原子组成的,最后这个极限当然就是在原子的使用。这个其实在这些纳米技术出现之前,在1959年的时候,美国的科学家Feynman他已经想到这些问题,他在里面讲的演讲,就是纳米科技的一个发源和开端。他在报告里面提到,他想描述一个领域,在当时五几年的时候,达到的成就并不多,但在理论上却有很多的东西可以做。就刚才我们说的,我们现在还是上百万的和几十万的原子来存储一个信息,但实际上其实可以把它做到原子量级,这个没有任何的科学阻止我们这么做。
 
所以他说的这个领域,就是我们现在所说的纳米领域,在小的尺度下来操控和控制物质。他当时提到一个非常有趣的分析,我们假设从人类有历史以来,有文字记录以来,把所有的信息用原子存储的话,到底要花费多少原子?假设我们用125个原子编码一个字符,把所有的这些信息计算一下到底需要多少原子,我们发现需要10的15次方个原子,这个数当然听起来非常大,但是我们要清楚原子是非常小的。所以假如说把原子放在一起的话,多少有多大,占多少空间?大概就是这么大的一粒灰尘,这一粒灰尘就可以存储人类有史以来制造的信息,这是非常大的空间,这就是Feynman所说的。
 
当然大家可能觉得,用原子来源存储信息听起来是不可能的任务,这个其实已经有现成的系统,已经做到了。这是我们自己,我们生物体本身。
 
我们生物体所有的信息,都是存在DNA这个分子里面,这个分子是一个长链,有四个字母(A、T、C、G),每个字母我们发现的话,其实就是一百多个原子,大概几百个原子来组成字母。字母组成一个长链之后,我们身体制造我们自己需要的所有信息都在里面,我们大脑的脑细胞怎么排列,我们头发是黑的还是黄的,眼睛的颜色是什么样子,我们骨头怎么长,上面需要一个洞、神经穿过去等等,全部信息都存在这个分子里面。他里面存着大概30亿个碱基对,因为是单分子量级,这些它可以把它全部塞在一个细胞核里面。
 
所以这样的在原子量级的信息存储是有现成的系统在用的,而且用得非常好。这30亿个碱基对,里面有三万个基因或者蛋白质,这个蛋白质就是组成我们身体的原件。制造我们自己需要的所有信息,都存在单个的分子里面。而且不光是可以存储,所有的生物系统都有一套非常完善的机制,这个信息可以复制,然后可以读取出来,DNA转录成mRNA,然后mRNA转录成蛋白质等等,然后把这个信息提取出来,把它弄出来,而且可以编辑等等。所以生物体本身就是一个在原子(层面)信息处理、存储信息这样一个非常神奇的一个系统。
 
所以自然界已经做到了,现在的问题是,我们作为信息存储的产物,我们能不能做到?我们能不能用工程、技术的办法做到。在我们讨论这些技术之前,我们讨论现在技术的前沿在哪里?在讨论前沿的时候,我们先看看科学上,假如不计成本的话,它的极限在哪?
 
在IBM实验室里面,在1981年的时候他们的一个发明。在陈老师刚才所说的超导实验室的隔壁,大约同样的时间做了这个发现,这也是划时代的一个发现。造了这样一个机器,工作原理如果看到最核心的部分,其实就是一个基础针尖,下面是一个基础的表面,一个物体。中间虽然是真空,真空对于电子来说其实相当于一堵墙。在经典物理里面,碰到一个墙你是穿不过去的,但是对电子来说,它“生活”在量子的世界里,可以从这个墙直接穿过去,这就是量子隧穿。这个隧穿还有另外一个特征,这个隧穿对距离非常敏感,上面有很多的原子在上面,第二个原子对电流的贡献就已经可以忽略不计了,所以对表面来说相当于它只看到了其中一个原子,如果我们这一个原子对这表面进行扫描的话,就像一个手指头,我可以在上面扫描的话,就可以把整个的形状、表面、起伏,把它摸出来。如果说我这个指头只有一个原子大小的话,我就可以把这个表面上单个的原子一个个摸出来。所以这样的工具,是可以在原子量级有单原子的分辨率,可以看到这个原子到底怎么排列的,这是一个非常惊人的发明。
 
不光是可以测量,可以看到单原子怎么排列的,而且他可以耍一些小手段,把这个原子在表面上挪来挪去,把一个单原子抓起来,放到想要的地方,然后把它放下去,可以用单原子来造我们想要的一些结构。这样就很好玩了,比如说可以把单原子,把它盘成一个环,盘成环之后就发现一个一个的圈,这也是量子物理里面一个著名的现象,就是电子在里面不是一个离子了,它有波粒二象性,这时候我们看到它的波的性质。就像是水塘里面,你投一个石子进去的话,会有表面波起来,这里面就是电子形成的波。还有更好玩的事情,这是IBM他们做的一个视频。
 
这个电影怎么做呢?就是靠移动单个原子,形成一帧一帧的画面,画面动起来就成了电影。这是世界上最小的电影,名字是“男孩和他的原子”。每个点都是一个原子。
 
所以我们已经可以有这样一个工具,可以在原子层面随心所欲地移动原子。这个不光是可以做好玩的事情,而且我们讲原子层面可以随意摆放原子的话,就可以用原子的位置来存储信息,可以在很密的很小的地方,存储很多信息。
 
比如说这也是一个非常有名的图,这个是用单个原子排出IBM,当然他们也排出了中文原子,这个也是用几十个原子,可以排出这么多信息。如果我们用信息存储的角度看,这个存储的密度他的容量是非常大的。而且在去年,荷兰的一个研究组他们就真的用表面原子的量级的缺陷,用它来对英文进行编码,然后移动文字把它存在这个原子尺度。他们已经做出来一个存储器,可以存储一个KB的信息。而且你读这个文章的话,这个文章恰好就是1959年Feynman他演讲的内容,也就是科学家用这个办法,来对Feynman在1959年提出的想法来致敬。
 
这个也是近两年一个新进展,不光我们可以用原子来存储信息,而且我们刚才说的,因为可以移动原子,就可以用这个办法,来造出单原子尺度的器件,这个器件真的是一个原子做运算,而且这也可能是以后量子计算的选项。所以现在的科学已经到了这个地步,但是如果说我们现在看的话,这些还没到技术的层面,因为一个方面来说还是太小,如果我们要读这些信息的话,是不可能的事情,因为他需要小时或者千这个量级来读这么个信息,这是不可能弄起来的。但是起码他给我们指明一条道路,也就是从科学来讲的话是完全可能的。
 
最后我用Feynman的一段话做结尾,我们以后要往哪里走,这些科学上可能的事情我们能不能实现,这需要以后很多代科学家的共同努力。用他的话来讲就是,我们作为一个人类,还是非常年轻的,我们现在是在开端。我们遇到的问题是理所当然的事情,但是未来还有千千万万年,我们的责任就是尽力去做、尽力去学,寻求更好的解决办法,把它传给后人。这些用什么办法实现,或者我们的科学到底要走到哪里?我们唯一的局限,是我们自己的想象力,谢谢大家。
 
 
附注:
 
 
 

 

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