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石墨烯沉睡的超導(dǎo)性能被喚醒

2017-04-01 12:47:06 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：石墨烯潤(rùn)滑油添加劑分享至：

    自2004年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)家一直相信石墨烯或許擁有超導(dǎo)性的天賦。1月19日，劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)表在《自然通訊》期刊的一篇論文【1】指出，他們找到了一個(gè)方法能夠激發(fā)石墨烯沉睡的能力，使石墨烯在傳導(dǎo)電流時(shí)的電阻為零。

    借這個(gè)機(jī)會(huì)，我們首先來(lái)認(rèn)識(shí)一下石墨烯：

    石墨烯：未來(lái)的二維奇跡材料

△ 石墨烯。（圖片來(lái)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(gè)碳原子厚度的二維材料。

石墨烯一直被認(rèn)為是一種假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直到2004年科學(xué)家才成功地在實(shí)驗(yàn)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(lái)源：Science Media Group）

    【石墨烯的制備方法】

    1. 微機(jī)械剝離法

    2004年由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的 Andre Geim（因在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）研究組發(fā)展的一種制備石墨烯的方法。

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

（圖片來(lái)源：Futurism）

將這一碳層繼續(xù)壓在膠帶層上，使它變得越來(lái)越薄：

（圖片來(lái)源：Futurism）

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

（圖片來(lái)源：Futurism）

    該方法的優(yōu)點(diǎn)為過(guò)程簡(jiǎn)單機(jī)產(chǎn)物質(zhì)量高，但缺點(diǎn)是產(chǎn)量低，所以難以實(shí)現(xiàn)石墨烯的大規(guī)模化制備。

    2. 化學(xué)氣相沉積

    石墨烯還可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。化學(xué)氣相沉積是后來(lái)發(fā)展起來(lái)的制備石墨烯的新方法，具有產(chǎn)物質(zhì)量高和可大規(guī)模制備的有點(diǎn)，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(lái)源：Futurism）

接著把甲烷和氫氣傳輸?shù)交馉t內(nèi)：

（圖片來(lái)源：Futurism）

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

（圖片來(lái)源：Futurism）

    【石墨烯的性質(zhì)】

    石墨烯具有許多令人驚喜的性質(zhì)。例如：

    雖然石墨烯如此之薄，但由于完美的晶體結(jié)構(gòu)和超強(qiáng)的原子間的鍵，它要比鉆石還要硬；

    由于它只有一個(gè)原子的厚度，因此一克的石墨烯就可以覆蓋整個(gè)足球場(chǎng)；

    在室溫下，它的導(dǎo)電速度要比其它的物質(zhì)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(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上；

    它的導(dǎo)熱性要比銅塊10倍；

    如果把厚度相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑十萬(wàn)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(chǎn)生的壓強(qiáng)，才能刺破它。

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

    當(dāng)然，它也可以被應(yīng)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(dòng)汽車連續(xù)行駛800公里；

    有機(jī)發(fā)光二極管；

    海水淡化；

    石墨烯芯片；

    柔性智能手表顯示屏；

    機(jī)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(xué)家自石墨烯問(wèn)世以來(lái)就推測(cè)它可能具有超導(dǎo)能力。但到目前為止，石墨烯的超導(dǎo)性能只能通過(guò)摻雜或放置在其它超導(dǎo)材料上實(shí)現(xiàn)。但這會(huì)導(dǎo)致石墨烯犧牲其它的性能。

    超導(dǎo)技能解鎖

    現(xiàn)在，研究人員通過(guò)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(dǎo)潛能。

    我們知道，超導(dǎo)體早已經(jīng)廣泛應(yīng)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(chǔ)存能量長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)年的電力線路及裝置等等。

    而超導(dǎo)石墨烯的出現(xiàn)開(kāi)辟了更多的可能性。例如可以用于超高速計(jì)算機(jī)中的新型超導(dǎo)量子設(shè)備。更有意思的是，它可以用來(lái)證明一種神秘的超導(dǎo)形式的存在，即所謂的 “p波超導(dǎo)性”。

    P波超導(dǎo)性是在1994年首次被提出，當(dāng)時(shí)日本研究人員發(fā)現(xiàn)它出現(xiàn)在名為釕酸鍶（SRO）的晶體材料中。但是這個(gè)晶體太大，以至于無(wú)法好好地研究，來(lái)達(dá)到科學(xué)家需要證實(shí)這個(gè)狀態(tài)存在的類型證明。

    這項(xiàng)最新的研究由Angelo DiBernardo和Jason Robinson領(lǐng)導(dǎo)。Robinson表示， “長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家相信在適當(dāng)?shù)臈l件下，石墨烯會(huì)經(jīng)歷超導(dǎo)相變，但一直無(wú)法得到實(shí)驗(yàn)證明。該實(shí)驗(yàn)的基本想法是，如果將石墨烯耦合到超導(dǎo)體的話，是否可以激活石墨烯潛在的超導(dǎo)性能呢？接著問(wèn)題變成，如何得知觀測(cè)到的超導(dǎo)性是來(lái)自石墨烯本身，而不是耦合的底層超導(dǎo)體？”

    我們知道，PCCO是一種名為“銅酸鹽”的超導(dǎo)材料，它的電學(xué)特性已經(jīng)被充分的了解，利用掃描隧道顯微鏡的技術(shù)，研究人員能夠清楚地從石墨烯的超導(dǎo)性中，區(qū)分出PCCO的超導(dǎo)性。

    當(dāng)電子結(jié)成對(duì)且更有效的穿越材料時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)性。超導(dǎo)體內(nèi)電子對(duì)的自旋狀態(tài)會(huì)根據(jù)超導(dǎo)性的不同類型（對(duì)稱性）而改變。例如在PCCO中，電子對(duì)的自旋狀態(tài)為反平行，被稱為“d波狀態(tài)”。

    相比之下，當(dāng)石墨烯耦合到超導(dǎo)PCCO上時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示石墨烯內(nèi)的電子對(duì)處于“p波狀態(tài)”。Robinson說(shuō) “換句話說(shuō)，我們?cè)谑┲锌吹降氖遣煌赑CCO超導(dǎo)的狀態(tài)。這是一個(gè)非常重要的步驟，因?yàn)檫@意味著該超導(dǎo)性不是來(lái)自外部。因此， PCCO只需要釋放石墨烯固有的超導(dǎo)性。 ”

    但是，目前還不清楚該研究中所激活的是什么樣的超導(dǎo)性，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)烈地暗示它是神秘莫測(cè)的“p波”形式。如果最終被證實(shí)，就可以終結(jié)關(guān)于這種神秘類型的超導(dǎo)性是否存在的爭(zhēng)論。

    這項(xiàng)研究有許多的應(yīng)用前景。例如，在超導(dǎo)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(dǎo)性應(yīng)用到分子電子學(xué)中。

    現(xiàn)在，其他的研究團(tuán)隊(duì)無(wú)疑將競(jìng)相驗(yàn)證這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。希望最終能夠被證實(shí)。