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科普教育

神奇的二维材料
http://sp.sun0769.com 2013-12-04 22:42:07 阳光石排
      石墨是自然界中颜色最黑的物质之一,但是你能想象出,石墨薄到一定程度也能变透明吗?我们小时候经常用铅笔写字画画,但是你能设想到,铅笔芯用到的石墨有可能创造出下一代电子触摸屏和超级计算机吗? 

  一块石墨表面看上去黑呼呼的,而它内部其实是由大量单原子厚的“石墨片”规则堆积而成的。2004年,两名俄裔英籍物理学家成功地将这种只有单个原子厚的碳材料即石墨烯,从石墨中剥离出来,两人还因此获得了诺贝尔奖。自此,世界范围内掀起了一阵石墨烯的研究热潮。石墨烯是一种性能极其优异的材料,不仅透明导电,而且硬度极高,兼具柔韧性。那么,石墨烯可能会有那些应用呢? 

  作为一种透明导电材料,石墨烯在显示领域很可能大有用武之地。韩国科研人员用石墨烯做出了与平板电脑上功能相仿的触摸显示屏。它的结构很简单,包括上下两片石墨烯透明电极和中间规则排列的大量微小的绝缘体(由于其体积微小而不影响石墨烯透明度)。手指压按在触摸屏的某处时,该处上下两片石墨烯发生扭曲变形接触到一起,产生电信号;不压按触摸屏时,上下两片石墨烯被层间的绝缘体完全隔离开,不会有电信号产生。再对收集到的电信号进行数据处理可以反推出手指压按的位置,进而实现触屏操作。 

  援引一位科学家的话,石墨烯是迄今为止最硬的材料。一层保鲜膜那么厚的石墨烯,只有一头大象站在铅笔上才能将其刺穿。如果将来能使用石墨烯触摸屏,就不用担心摔碎屏幕了,因为一般的力道根本不足以把它摔碎。 

  20131118日,中国国防科学技术大学研制的“天河二号”登上了最新的全球超级计算机排行榜榜首。据新闻报道,“天河二号”由170个机柜组成,占地720平方米。它运算1小时,相当于13亿人同时用计算器计算一千年。为什么它的体积如此庞大?这要从计算机的三大核心:CPU、内存和硬盘说起,而CPU和内存使用的主要器件是晶体管。以CPU为例,它是计算机的神经中枢,一般而言,CPU运算能力就越高意味着它上面集成的晶体管数量越多、尺度越小。而传统晶体管的尺寸小到一定程度时,晶体管的特性会严重地受到尺寸的影响,最终很可能导致CPU的性能难以提升。 

  这时,石墨烯的优势就显现出来了。石墨烯本身就是最薄的材料,用它制造晶体管时不像硅材料需要“切”得很小。因此,有可能解决缩小晶体管尺寸带来的诸多问题,实现超大规模集成。此外,石墨烯中的电子比硅材料中的电子“奔跑”的速度,即迁移率高出数十倍甚至上百倍,这有利于进一步提高CPU运算速率。同时,石墨烯导热性非常好,对于解决CPU的散热问题很有实际意义。然而不幸的是,石墨烯带隙为零,用石墨烯做成的晶体管无法关断,这在一定程度上限制了它在该领域应用。 

  试想,若用石墨烯做成CPU和内存条,这种配置的手机完全能具备台式计算机的性能。我们便不需玩一段时间游戏就必须清一下内存,更不用担心手机运行一段时间后背面发烫的问题。 

  石墨烯的发现极大地推动了二维材料,即只有一个或几个原子层厚的薄膜材料,这一领域的研究。自然界中存在一种“白石墨”,即六方氮化硼。它有许多和石墨类似的性质,与石墨烯截然不同,六方氮化硼是优良的绝缘体,研究人员发现,将六方氮化硼二维材料作为石墨烯的衬底可大幅提高石墨烯的电子迁移率。除六方氮化硼外,二硫化钼也是二维材料的研究热点之一。与石墨烯和氮化硼都不同,二硫化钼是半导体。因此,用二硫化钼可以做成能关断的场效应晶体管。除此之外,人们还发现了二硫化钨、二硫化钛、二硒化钼、碲化锑及碲化铋等二维材料,这些材料都具备各自特殊的性质。 

  迄今为止,对二维材料的研究还刚刚起步,实现种种美妙设想还需要不断努力。随着研究的深入,在不远的未来,二维材料很可能会走进我们的生活。

 来源:中国科学院官网  编辑:石排镇宣传办
 
 
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