石墨烯沉睡的超导性能被唤醒

2017-04-01 12:47:06 作者：本网整理来源：石墨烯润滑油添加剂分享至：

    自2004年发现以来，科学家一直相信石墨烯或许拥有超导性的天赋。1月19日，剑桥大学的研究人员发表在《自然通讯》期刊的一篇论文【1】指出，他们找到了一个方法能够激发石墨烯沉睡的能力，使石墨烯在传导电流时的电阻为零。

    借这个机会，我们首先来认识一下石墨烯：

    石墨烯：未来的二维奇迹材料

△ 石墨烯。（图片来源：Wikipedia）

石墨烯是一种以碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯一直被认为是一种假设性的结构，无法单独稳定存在，直到2004年科学家才成功地在实验中从石墨中分裂出石墨烯。

石墨烯跟钻石和石墨一样，都是由碳原子组成的。△ 左：钻石；右：石墨。（图片来源：Science Media Group）

    【石墨烯的制备方法】

    1. 微机械剥离法

    2004年由英国曼彻斯特大学的 Andre Geim（因在二维石墨烯材料的开创性实验获得诺贝尔物理学奖）研究组发展的一种制备石墨烯的方法。

    首先将具有强粘合力的胶带贴在石墨上，把胶带撕开，在石墨的顶层剥开一薄层：

（图片来源：Futurism）

将这一碳层继续压在胶带层上，使它变得越来越薄：

（图片来源：Futurism）

将带有石墨薄片的胶带贴到平滑的硅片上，再撕开，最后用丙酮等溶剂去除胶带，从而在硅片上得到只有一个原子厚的单层石墨烯：

（图片来源：Futurism）

    该方法的优点为过程简单机产物质量高，但缺点是产量低，所以难以实现石墨烯的大规模化制备。

    2. 化学气相沉积

    石墨烯还可以通过化学反应产生。化学气相沉积是后来发展起来的制备石墨烯的新方法，具有产物质量高和可大规模制备的有点，逐渐成为主要的制备方法。

    首先将一铜片用火炉加热至1000摄氏度：

（图片来源：Futurism）

接着把甲烷和氢气传输到火炉内：

（图片来源：Futurism）

在高温下，甲烷分解生成的碳原子会吸附在铜基表面，最后会得到连续的、只有原子厚度的石墨烯薄膜：

（图片来源：Futurism）

    【石墨烯的性质】

    石墨烯具有许多令人惊喜的性质。例如：

    虽然石墨烯如此之薄，但由于完美的晶体结构和超强的原子间的键，它要比钻石还要硬；

    由于它只有一个原子的厚度，因此一克的石墨烯就可以覆盖整个足球场；

    在室温下，它的导电速度要比其它的物质快许多，比如比硅要快250倍；

    它具有非常良好的生物相容性，因此可以被应用在生物医学上；

    它的导热性要比铜块10倍；

    如果把厚度相当于人的头发丝直径十万分之一的石墨烯，叠成保鲜膜那样厚，需要一头大象站在一只铅笔上所产生的压强，才能刺破它。

△ 石墨烯具有许多令人惊喜的性质，可以被应用在许多方面。（图片来源：Image Guru）

    当然，它也可以被应用各种方面。例如：

    单壁或双壁碳纳米管；

    石墨烯聚合材料电池允许电动汽车连续行驶800公里；

    有机发光二极管；

    海水淡化；

    石墨烯芯片；

    柔性智能手表显示屏；

    机器人的超敏感弹性“皮肤”。

    等等。

    除了以上提到的一些性能外，科学家自石墨烯问世以来就推测它可能具有超导能力。但到目前为止，石墨烯的超导性能只能通过掺杂或放置在其它超导材料上实现。但这会导致石墨烯牺牲其它的性能。

    超导技能解锁

    现在，研究人员通过将石墨烯与镨铈氧化铜（PCCO）材料耦合的方法激活了石墨烯的超导潜能。

    我们知道，超导体早已经广泛应用在日常生活的方方面面。例如，它们是核磁共振成像仪器和磁悬浮列车中的必要组件；还可用于制造传输和储存能量长达数百万年的电力线路及装置等等。

    而超导石墨烯的出现开辟了更多的可能性。例如可以用于超高速计算机中的新型超导量子设备。更有意思的是，它可以用来证明一种神秘的超导形式的存在，即所谓的 “p波超导性”。

    P波超导性是在1994年首次被提出，当时日本研究人员发现它出现在名为钌酸锶（SRO）的晶体材料中。但是这个晶体太大，以至于无法好好地研究，来达到科学家需要证实这个状态存在的类型证明。

    这项最新的研究由Angelo DiBernardo和Jason Robinson领导。Robinson表示， “长期以来，科学家相信在适当的条件下，石墨烯会经历超导相变，但一直无法得到实验证明。该实验的基本想法是，如果将石墨烯耦合到超导体的话，是否可以激活石墨烯潜在的超导性能呢？接着问题变成，如何得知观测到的超导性是来自石墨烯本身，而不是耦合的底层超导体？”

    我们知道，PCCO是一种名为“铜酸盐”的超导材料，它的电学特性已经被充分的了解，利用扫描隧道显微镜的技术，研究人员能够清楚地从石墨烯的超导性中，区分出PCCO的超导性。

    当电子结成对且更有效的穿越材料时，就会产生超导性。超导体内电子对的自旋状态会根据超导性的不同类型（对称性）而改变。例如在PCCO中，电子对的自旋状态为反平行，被称为“d波状态”。

    相比之下，当石墨烯耦合到超导PCCO上时，实验结果显示石墨烯内的电子对处于“p波状态”。Robinson说 “换句话说，我们在石墨烯中看到的是不同于PCCO超导的状态。这是一个非常重要的步骤，因为这意味着该超导性不是来自外部。因此， PCCO只需要释放石墨烯固有的超导性。 ”

    但是，目前还不清楚该研究中所激活的是什么样的超导性，但实验结果强烈地暗示它是神秘莫测的“p波”形式。如果最终被证实，就可以终结关于这种神秘类型的超导性是否存在的争论。

    这项研究有许多的应用前景。例如，在超导电路中，石墨烯可用于制造类似晶体管的器件，并且可以将超导性应用到分子电子学中。

    现在，其他的研究团队无疑将竞相验证这个实验结果。希望最终能够被证实。