神奇的石墨烯

在今天，碳成了一種既令人擔憂又令人充滿期待的東西，擔憂是因為我們4燃燒了太多的含碳物質，釋放出的大量二氧化碳氣體改變了地球的氣候，威脅著人類的生存；充滿期待是碳將作為一種新材料進入到人類生活。在過去的一二十年里，科學家先后發現了由碳原子組成的鐵絲網卷筒狀的碳分子碳納米管、足球狀的碳分子巴克球，而現在，石墨烯又加入到了這些碳分子的行列。

脫穎而出的石墨烯

石墨烯出現在實驗室中是在2004年，當時，英國的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃塞洛夫發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。它的厚度只有0.335納米，20萬片這種物質“疊”在一起也只相當于一根頭發絲的厚度。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經過5年的發展，人們發現，將石墨烯帶入工業化生產的領域已為時不遠了。

石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，人們發現，石墨烯具有非同尋常的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望在現代電子科技領域引發一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統的半導體和導體，例如銅和硅遠沒有石墨烯表現得好。由于電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了70％-80％的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優良特性。

應用前景不可估量

科學家發現，石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現代電子工業的領頭羊，一些電子設備，例如手機，由于工程師們正在設法將越來越多的信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現，高頻提升的發展前景似乎變得無限廣闊了。

石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現在更大的市場上，這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的，現在，這個角色還在由硅擔當，但硅的時代似乎就要結束。去年10月，IBM的一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其他材料具有更優良的透光性。

制造石墨烯帶

假若將石墨烯切成10納米寬的帶子，它們的電子特性便會產生非常奇妙的變化，因為如此一來，電子便要爭先恐后地在狹窄的“帶子”上遷移，由此產生的“帶隙”使它們變成了半導體。不過生產這種石墨烯帶并非易事：或用剝離石墨烯片的方法，或用化學的方法將碳原子分開，或使用超聲波，或利用掃描隧道顯微鏡……但這些方法都只能制造很少的石墨烯帶。去年6月，麻省理工學院的科學家發明了一種用鎳納米粒子在石墨烯片上切割石墨烯帶的方法，這種方法非常巧妙，它可以被用來制造石墨烯納米電路。同樣是在去年，斯坦福大學的科學家使用氬等離子體束將碳納米管切割成了石墨烯帶。由于人們已經掌握了大批量生產碳納米管的技術，該方法很有可能把生產石墨烯帶的技術引向批量生產的途徑。

全碳電路

碳原子之間的作用力很強，因此石墨烯的晶體結構總可以保持完整，這是電子在石墨烯上暢通遷移的保證。和傳統的硅材料半導體相比，石墨烯的電子遷移效率要高出幾十倍乃至于上百倍，這也正是科學家們如此期待用石墨烯取代硅而成為未來超高頻晶體管材料的緣故。

依據“摩爾定律”，集成電路上可容納的晶體管數量每隔18個月會增加一倍，性能也提高一倍，這個定律顯示了信息技術進步的速度。然而現在這種速度已明顯地降低了，因為硅材料已接近其極限，用硅制造的晶體管很難獲得進一步發展的空間，而碳則在這個時候脫穎而出了。2008年4月，科學家宣布說，他們成功研制出了尺寸最小的石墨烯晶體管，其厚度僅為1個原子，截面為10個原子。盡管目前還缺乏真正以納米精度切割材料的技術，大規模的石墨烯生產還無法進行，但僅僅如此就足以令人振奮了。人們清楚地看到，石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻晶體管的基礎材料而廣泛應用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。在未來，我們將會看到由石墨烯構成的全碳電路，它們將被廣泛應用于人們的日常生活中。