過去十年裡，奈米科技領域最受寵愛、研究人員最喜歡的碳形式一直是奈米管。這種細長、像雞籠網一樣的原子捲筒被譽為易於導電的通道，曾引發人們對超微型電路的夢想，這種電路可能有一天會取代矽，成為計算機技術的主力。
但奈米管始終存在缺點：難以精確排列，而且在不損失大部分卓越導電性的情況下，很難將其連線到外部世界。
現在，一種新的碳寶石吸引了納米技術研究人員的目光，他們中的一些人已經開始猜測，它可能會在奈米管未能成為電子產品救世主的地方繼續前進。
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哦，順便說一句，你可以用透明膠帶製作它。
它被稱為石墨烯，本質上是一種展開的奈米管——排列成蜂窩狀的單層原子。這種差異聽起來可能只是表面上的，但當目標是操作只有幾個原子厚的東西時，從管狀到片狀會產生很大的差異。
儘管石墨烯在應用道路上也面臨許多障礙，但其結合了奇異的物理學和高科技潛力，正在吸引著大量的研究人員。“目前，至少存在一個巨大的希望……石墨烯可能是未來，” 英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·蓋姆說道，他於 2004 年首次分離出石墨烯。
碳的巨大炒作
今天，英特爾和其他製造商從餐盤大小的矽晶圓上衝壓出微晶片。透過建立越來越詳細的衝壓，他們將越來越多的被稱為電晶體的微小開關塞入晶片中。但研究人員認為，一旦矽電路縮小到 10 奈米，半導體行業預計這將在 2020 年之後發生，它們將開始大量洩漏電流。英特爾和 IBM 今年已經宣佈，他們將開始在即將推出的 45 奈米電晶體中新增新材料以抵消洩漏電流。
問題在於，接下來使用什麼材料。許多材料都為此角色做好了準備。像碳奈米管一樣，石墨烯符合第一個要求：它是一種快速的導電材料，比許多半導體都好。與奈米管一樣，每個碳原子都有三個相鄰原子和一個未使用的電子，可以自由地跳躍，因此可以導電。
但是奈米管以密集的叢林形式生長，難以分離和精確定位。為了用它們製造電路，研究人員必須連線相對笨重的導線，這會破壞它們的大部分導電性。“碳奈米管整合電子產品從一開始就被大肆宣傳，”佐治亞理工學院的奈米管兼石墨烯研究員沃爾特·德·希爾說。“石墨烯是不同的。”
利用石墨烯，研究人員設想從大型晶圓上衝壓出電路，就像他們已經使用矽那樣。但是，事實證明，完善這些晶圓具有挑戰性。蓋姆說，另一個長期的“如果”是石墨烯是否可以被切割成實際可以工作的小塊。但研究人員才剛剛開始學習。“嚴格來說，二維材料在 2004 年之前並不存在，”他說。
怨恨將概念變為現實
作為一個概念，石墨烯並不新鮮。一塊石墨只是一疊鬆散地粘在一起的石墨烯層，就像一副撲克牌。這就是為什麼用鉛筆在紙上劃一下會留下痕跡；這些層會成塊脫落並卡在紙纖維中。研究人員一直將奈米管視為捲起的石墨烯片。
但是，大多數人認為隔離單層原始層是不可能的。他們認為，如果從相鄰層剝離下來的應力沒有將其撕裂，它自身的熱量也會像篝火上的報紙一樣將其壓皺。
儘管如此，有些人還是願意嘗試。哥倫比亞大學的物理學家菲利普·金在 2002 年開始嘗試透過用原子力顯微鏡拖動微小的石墨棒來剝離石墨烯層，原子力顯微鏡就像一種極其靈敏的唱機針。 2003 年，佐治亞理工學院的德·希爾獲得了晶片製造商英特爾的資助，從矽和碳的混合物中烹製石墨烯。
然後蓋姆出現了。蓋姆是受壁虎啟發而發明的粘合劑的創造者，該粘合劑在四年前成為頭條新聞，蓋姆是一位喜歡每隔幾年嘗試全新事物的研究人員。 他嫉妒奈米管多年來受到的所有關注——“這是一個美麗的系統，”他說——他於 2002 年秋季開始尋找石墨烯。“怨恨是物理學家非常重要的動力，”他面無表情地說。
研究人員知道如何透過用透明膠帶剝離厚層來暴露石墨塊的完美表面。 蓋姆決定將該方法推向極限。
他很快就獲得了 10 個原子厚的層。“然後你總是問自己一個問題，”他說：“讓我們試試九個。” 在 2004 年的《自然》雜誌上，他和他的同事報告了成功。他們將單層石墨烯放在矽上，將電極連線到石墨烯，並測量了施加不同電壓時它所攜帶的電荷量。
“那當然是一件大事，”金笑著說，他曾打賭使用針頭拖動的方法。“我們意識到我們完全被搶先了。”
無質量的電子吸引大眾
蓋姆說，很少有團隊注意到，即使他的團隊展示瞭如何使用相當於鉛筆的東西製作石墨烯層。
直到第二年晚些時候，當他和金獨立證實了可追溯到 20 世紀 40 年代的預測時，該領域才真正起飛。他們對石墨烯施加磁場，並觀察到其電阻（電流的阻力）以稱為量子霍爾效應的階梯式模式增加。該效應有兩種型別，都獲得了諾貝爾獎。他們觀察到，石墨烯支援第三種。
研究人員震驚了。加利福尼亞大學歐文分校的奈米研究員菲利普·柯林斯說，這就像有人將一塊瀝青紙貼在開啟的電話簿上，然後撕掉了一頁。“你可能會認為這頁紙是垃圾，”他說，但是相反，“你仍然可以從中獲得電話號碼。” 金的實驗室的研究員、也是其中一員的帕勃羅·賈裡洛-埃雷羅說，研究奈米管和量子霍爾效應的人都湧向了石墨烯。
波士頓大學的材料理論家、預測了新的量子霍爾效應的人之一的安東尼奧·卡斯特羅·內託說，甚至粒子物理學家也感到興奮。石墨烯能力的關鍵，包括其高導電性，來自於粒子物理學家非常熟悉的東西。大多數粒子，包括電子，都具有質量。像檯球一樣，它們在受到某種推動力（例如球杆）的能量提升之前不會移動。它們獲得的能量越多，飛行速度就越快。
相比之下，光子是光粒子，它們沒有質量，並以恆定速度（光速）不停地移動。蓋姆和金證實的是，石墨烯的電子實際上失去了質量。無論它們攜帶多少能量，它們都以光速的四百分之一的速度飛馳。
為了描述在加速器或其他地方產生的、以接近光速運動的粒子，物理學家必須引入狹義相對論，即愛因斯坦的運動理論。石墨烯也是如此。
奈米管也具有這種特性；它們實際上比石墨烯的導電性更好，因為它們迫使電子沿直線飛馳。然而，金說，石墨烯的平坦性使其相對論行為更加明顯，更易於探測。
超強還是被過度炒作？
蓋姆說，石墨烯的無質量電子的一個結果是，如果它包含許多電子、少量電子或只有一個電子，它也能同樣好地導電。電子通常會彈開周圍的汙染物，從而減慢或阻止它們的速度。例如，當透過矽時，它們平均會在散射前移動 10 奈米。
但是，石墨烯的電子在某種意義上會擴充套件到覆蓋大片區域，有效地像巨型卡車的輪胎在坑窪上行駛一樣跨過雜質。結果，它們的行駛距離是矽的 100 倍，接近 1 微米。
“它的導電性如此之高，”蓋姆說，“立即想到的第一個想法，也是目前的想法，都是將其應用於電子產品。”
能夠以最低成本取代矽的材料最終將統治市場，但金說，在幾十個原子的尺度上，石墨烯的效能可能與矽一樣好，甚至更好。
當然，在將奈米級電路衝壓到飛盤大小的石墨烯晶圓上的願景中，存在一些潛在的障礙。加利福尼亞大學歐文分校的柯林斯說，石墨烯已經被“荒謬地”炒作了。他說，當一種材料只有三年曆史時，“將其與矽之類的東西進行比較有點困難。”
一個問題是飛盤。佐治亞理工學院的德·希爾報告說，他用烹製碳化矽的方法取得了一些成功，使碳原子以一層或幾層原子層的形式冒泡到頂部。但是到目前為止，他還沒有觀察到量子霍爾效應，這表明他的石墨烯與用膠帶製成的石墨烯之間存在一些關鍵差異。
然後是如何在石墨烯中切換電流的挑戰。矽和其他半導體傳輸特定能量的電子，但阻止其他能量的電子。奈米管也具有這種特性，稱為帶隙，但石墨烯沒有。
石墨烯視野中的曙光
研究人員有一些關於如何克服這個障礙的想法。蓋姆的團隊在 3 月份報告說，他們透過將單層石墨烯塑造成非常狹窄的沙漏來向上和向下撥動電流。沙漏腰部中電子的存在阻止了其他電子透過——而且是在室溫下進行的。
在另一種方法中，金的團隊與 IBM 研究人員合作，將石墨烯切割成 10 奈米寬的帶狀，團隊成員賈裡洛-埃雷羅在美國物理學會 3 月份的會議上報告說。電子僅以特定的數量或能級攜帶能量，並且根據該團隊的說法，限制在石墨烯帶中的電子需要更大的能量才能達到下一個能級，從而產生一種帶隙。
蝕刻這些小形狀會帶來其他問題。雕刻過程並非總是有效，儘管蓋姆預計石墨烯可以搭上矽蝕刻改進的便車。它還會使石墨烯留下參差不齊的邊緣，因為與切除的碳原子形成化學鍵的電子會像鬆散的線一樣殘留，干擾透過的電子並拉低帶的電流。金說，石墨烯愛好者將不得不找到某種方法來修補磨損的末端。
“奈米管透過自身捲曲很好地解決了這個問題，”柯林斯說。“理想的情況是，如果我們……能夠提出一種結合兩者優勢的結構。” 賈裡洛-埃雷羅說，或者如果研究人員學會更精確地操作奈米管，它們將重新獲得許多吸引力。
石墨烯真正走向應用至少還需要十年時間。蓋姆表示，在矽達到 10 納米制程之前，它不會有真正的競爭對手。“矽的末日之前已經被宣佈了很多次，”他說。“如果你想讓一輛火車停下來，那並不容易。而矽的規模比火車還要大得多。” 目前，石墨烯就像一個充滿潛力的小引擎。