从胶带剥离，回顾石墨烯这20年！“天才少年”曹原导师Pablo Jarillo-Herrero，发Nature评论文章！

麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero教授及其团队在《Nature》上发表了题为《The Discovery That Stuck — 20 Years of Graphene》的观点论文。该论文回顾了石墨烯发现的20年历程，强调了这一二维材料在物理学和材料科学领域的重要性。石墨烯的独特性质，如超高强度、优异的电导性以及量子特性，推动了众多研究方向的发展，特别是在“扭曲双层石墨烯”领域的突破，展示了电子行为的调控潜力。Jarillo-Herrero教授团队的工作不仅深化了我们对二维材料的理解，还为未来纳米技术和电子器件的发展奠定了基础。这篇论文在庆祝石墨烯发现的同时，也展望了二维材料研究的未来，激励着全球科研人员继续探索这一充满潜力的领域。

在物理学中，有一个定理认为，量子涨落会阻碍二维材料（如晶体）形成有序结构。想象一下，当审稿人首次阅读一篇关于原子级薄膜石墨烯不仅存在，而且在室温下也非常稳定并能良好导电的论文时，他们面露困惑的神情。是什么阻止了这些碳原子层在环境中融化或碎裂？显然，现实生活并不总是遵循数学定理的假设。审稿人最终达成了一致，20年前，Novoselov等人在《Science》杂志上发表了一篇论文，证明了“石墨烯”层的存在。

一、石墨烯的首次成功分离

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，以隔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）。

这篇开创性的论文在多个方面打破了传统的科学认识。首先，作者采用的分离单层碳原子（石墨烯）或少层石墨烯（FLG）的方法令人惊叹。该方法简单且富有创意，利用普通的粘胶带从石墨晶体上“撕”下原子层，然后将粘胶带按在基底上。令人惊讶的是，当研究人员撕下粘胶带时，发现基底上布满了薄薄的石墨片，包括石墨烯和FLG。时至今日，许多研究小组，包括我的团队，仍然使用这种简单的机械剥离方法来分离石墨烯。

二、可视化与性能特征

其次，Novoselov等人运气不错，石墨烯和FLG片可以用简单的光学显微镜肉眼观察到。这使得作者能够快速直观地可视化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。光学显微镜至今仍是成像石墨烯及许多后续发现的“二维材料”的最常用方法。随着技术的进步，尤其是人工智能的辅助，这种显微镜能够以高精度自动识别和计数材料层数。

第三，FLG薄片在环境条件下非常稳定，尤其是在标准纳米加工过程中。这意味着它们在与电极连接的过程中不受影响，Novoselov等人因此展示了FLG薄片良好的电导性。此外，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较典型金属低。这使得作者能够构建电气阻力可以通过改变相邻金属电极施加电压来变化几个数量级的器件。

三、量子现象与新发现

最终，当Novoselov等人冷却他们的FLG样品并施加强磁场时，他们观察到电阻表现出量子振荡，这是许多量子系统常见的特性。这意味着这些薄片有潜力（在随后的研究中得到了证明）实现新的量子现象和器件。

尽管这一突破令人瞩目，但公认的是，2004年这篇论文的影响直到次年才得到了充分的认可。当时，两篇论文被发表，其中一篇由Novoselov及其同事撰写。这两篇论文表明，单层石墨烯中的电子行为类似于质量为零的粒子，以与其能量无关的恒定速度移动；在某些方面，它们更像是在高能物理加速器中飞行的粒子，而不是晶体固体中的电子。同年，Novoselov和同事还证明了粘胶带剥离法可以用于分离多种超薄晶体薄膜。二维材料研究的序幕由此拉开，Konstantin Novoselov和Andre Geim因此获得了2010年诺贝尔物理学奖，表彰他们在石墨烯这一二维材料方面的开创性实验。

四、石墨烯的超凡特性与应用前景

2004年的这篇论文对凝聚态物理和材料工程领域的影响难以低估。它在Web of Science数据库中被引用超过5万次，成为历史上被引用最多的物理论文之一，反映了全球成千上万的研究小组开始投身于二维材料研究。这些研究者不仅包括物理学家，还有化学家、材料科学家、电气工程师，甚至医学专家。究其原因，部分源于石墨烯的超凡特性：它是最强、最薄的材料，且是热和电的最佳导体。此外，石墨烯并非唯一的二维材料，这意味着无数不同的研究方向都可以追溯到Novoselov及其同事的初步发现。

如今，二维材料家族不仅包括绝缘体、半导体、晶体磁体、晶体铁电体（显示自发电极化的材料）、超导体（零电阻材料），而且这一列表还在不断扩展。在许多情况下，这些二维晶体的行为与其三维对应物大相径庭，而且它们往往更容易“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，其中一些应用已开始逐渐实现，如超灵敏的化学和生物传感器、红外相机等。

五、异质结构与新兴领域

二维材料的另一个关键特性是，它们可以相互叠加形成“异质结构”，这种结构在某些方面类似于用乐高积木搭建的结构。然而，乐高积木必须精确叠加在一起，而二维材料却没有这样的限制：它们可以以任意的扭转角度叠加。这些扭曲的异质结构与其组成层的性质可能会有显著不同。例如，约1度的扭曲角度可以使叠加的石墨烯片（既不是绝缘体也不是超导体）形成一种表现出绝缘和超导行为的异质结构，这得益于其电子之间的相互作用。

这一领域被称为“扭曲电子学”（twistronics），或称为莫尔量子物质（moiré quantum matter），因为两个晶格的叠加形成了称为莫尔晶格的干涉图案。过去六年中，扭曲电子学的研究人员几乎实现了已知的所有量子物质相态，并且经常发现具有非常规特征的新量子相和效应，包括去年在扭曲的莫尔异质结构中实现的分数量子异常霍尔效应。

六、未来展望

从20年前的首次发现开始，这一旅程远未结束，二维材料的研究仍在不断增长。研究人员在这些材料的基础上，正在以惊人的速度取得关于基本物理的关键发现，这让人充满乐观。例如，手性（chirality）是一种影响许多物理系统行为的性质，在化学和生物学中也发挥着关键作用，而这一特性可以在扭曲的异质结构中得到探索和精确调控。

在技术层面上，尽管前景乐观，但仍需谨慎看待。大规模生长高质量石墨烯及其他二维材料的技术正在快速进步，工程师们也越来越倾向于将这些材料纳入器件制造平台。然而，除了石墨烯外，二维样品的质量仍需进一步提升，并且需要实现对具有任意扭转角度的微型异质结构的自动化制造。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力创新。但其回报可能是巨大的，或许会为未来数十年内一整个纳米技术的世代铺平道路。

石墨烯及其二维材料的研究是当今科学界的一场革命。这一发现不仅挑战了传统物理理论，还为材料科学、电子工程和纳米技术等多个领域带来了新的机遇。随着研究的深入，我们期待石墨烯及其他二维材料在未来实现更多突破，开辟新的应用前景。

The discoverythatstuck-20 yearsofgraphene，Nature 634, 789-790 (2024)