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石墨烯沉睡的超導性能被喚醒

2017-04-01 12:47:06 作者：本網整理來源：石墨烯潤滑油添加劑分享至：

    自2004年發現以來，科學家一直相信石墨烯或許擁有超導性的天賦。1月19日，劍橋大學的研究人員發表在《自然通訊》期刊的一篇論文【1】指出，他們找到了一個方法能夠激發石墨烯沉睡的能力，使石墨烯在傳導電流時的電阻為零。

    借這個機會，我們首先來認識一下石墨烯：

    石墨烯：未來的二維奇跡材料

△ 石墨烯。（圖片來源：Wikipedia）

石墨烯是一種以碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。

石墨烯一直被認為是一種假設性的結構，無法單獨穩定存在，直到2004年科學家才成功地在實驗中從石墨中分裂出石墨烯。

石墨烯跟鉆石和石墨一樣，都是由碳原子組成的。△ 左：鉆石；右：石墨。（圖片來源：Science Media Group）

    【石墨烯的制備方法】

    1. 微機械剝離法

    2004年由英國曼徹斯特大學的 Andre Geim（因在二維石墨烯材料的開創性實驗獲得諾貝爾物理學獎）研究組發展的一種制備石墨烯的方法。

    首先將具有強粘合力的膠帶貼在石墨上，把膠帶撕開，在石墨的頂層剝開一薄層：

（圖片來源：Futurism）

將這一碳層繼續壓在膠帶層上，使它變得越來越薄：

（圖片來源：Futurism）

將帶有石墨薄片的膠帶貼到平滑的硅片上，再撕開，最后用丙酮等溶劑去除膠帶，從而在硅片上得到只有一個原子厚的單層石墨烯：

（圖片來源：Futurism）

    該方法的優點為過程簡單機產物質量高，但缺點是產量低，所以難以實現石墨烯的大規模化制備。

    2. 化學氣相沉積

    石墨烯還可以通過化學反應產生。化學氣相沉積是后來發展起來的制備石墨烯的新方法，具有產物質量高和可大規模制備的有點，逐漸成為主要的制備方法。

    首先將一銅片用火爐加熱至1000攝氏度：

（圖片來源：Futurism）

接著把甲烷和氫氣傳輸到火爐內：

（圖片來源：Futurism）

在高溫下，甲烷分解生成的碳原子會吸附在銅基表面，最后會得到連續的、只有原子厚度的石墨烯薄膜：

（圖片來源：Futurism）

    【石墨烯的性質】

    石墨烯具有許多令人驚喜的性質。例如：

    雖然石墨烯如此之薄，但由于完美的晶體結構和超強的原子間的鍵，它要比鉆石還要硬；

    由于它只有一個原子的厚度，因此一克的石墨烯就可以覆蓋整個足球場；

    在室溫下，它的導電速度要比其它的物質快許多，比如比硅要快250倍；

    它具有非常良好的生物相容性，因此可以被應用在生物醫學上；

    它的導熱性要比銅塊10倍；

    如果把厚度相當于人的頭發絲直徑十萬分之一的石墨烯，疊成保鮮膜那樣厚，需要一頭大象站在一只鉛筆上所產生的壓強，才能刺破它。

△ 石墨烯具有許多令人驚喜的性質，可以被應用在許多方面。（圖片來源：Image Guru）

    當然，它也可以被應用各種方面。例如：

    單壁或雙壁碳納米管；

    石墨烯聚合材料電池允許電動汽車連續行駛800公里；

    有機發光二極管；

    海水淡化；

    石墨烯芯片；

    柔性智能手表顯示屏；

    機器人的超敏感彈性“皮膚”。

    等等。

    除了以上提到的一些性能外，科學家自石墨烯問世以來就推測它可能具有超導能力。但到目前為止，石墨烯的超導性能只能通過摻雜或放置在其它超導材料上實現。但這會導致石墨烯犧牲其它的性能。

    超導技能解鎖

    現在，研究人員通過將石墨烯與鐠鈰氧化銅（PCCO）材料耦合的方法激活了石墨烯的超導潛能。

    我們知道，超導體早已經廣泛應用在日常生活的方方面面。例如，它們是核磁共振成像儀器和磁懸浮列車中的必要組件；還可用于制造傳輸和儲存能量長達數百萬年的電力線路及裝置等等。

    而超導石墨烯的出現開辟了更多的可能性。例如可以用于超高速計算機中的新型超導量子設備。更有意思的是，它可以用來證明一種神秘的超導形式的存在，即所謂的 “p波超導性”。

    P波超導性是在1994年首次被提出，當時日本研究人員發現它出現在名為釕酸鍶（SRO）的晶體材料中。但是這個晶體太大，以至于無法好好地研究，來達到科學家需要證實這個狀態存在的類型證明。

    這項最新的研究由Angelo DiBernardo和Jason Robinson領導。Robinson表示， “長期以來，科學家相信在適當的條件下，石墨烯會經歷超導相變，但一直無法得到實驗證明。該實驗的基本想法是，如果將石墨烯耦合到超導體的話，是否可以激活石墨烯潛在的超導性能呢？接著問題變成，如何得知觀測到的超導性是來自石墨烯本身，而不是耦合的底層超導體？”

    我們知道，PCCO是一種名為“銅酸鹽”的超導材料，它的電學特性已經被充分的了解，利用掃描隧道顯微鏡的技術，研究人員能夠清楚地從石墨烯的超導性中，區分出PCCO的超導性。

    當電子結成對且更有效的穿越材料時，就會產生超導性。超導體內電子對的自旋狀態會根據超導性的不同類型（對稱性）而改變。例如在PCCO中，電子對的自旋狀態為反平行，被稱為“d波狀態”。

    相比之下，當石墨烯耦合到超導PCCO上時，實驗結果顯示石墨烯內的電子對處于“p波狀態”。Robinson說 “換句話說，我們在石墨烯中看到的是不同于PCCO超導的狀態。這是一個非常重要的步驟，因為這意味著該超導性不是來自外部。因此， PCCO只需要釋放石墨烯固有的超導性。 ”

    但是，目前還不清楚該研究中所激活的是什么樣的超導性，但實驗結果強烈地暗示它是神秘莫測的“p波”形式。如果最終被證實，就可以終結關于這種神秘類型的超導性是否存在的爭論。

    這項研究有許多的應用前景。例如，在超導電路中，石墨烯可用于制造類似晶體管的器件，并且可以將超導性應用到分子電子學中。

    現在，其他的研究團隊無疑將競相驗證這個實驗結果。希望最終能夠被證實。