一枝独秀vs.遍地开花:论单晶石墨烯的生长 (1)

石墨烯与花的联系。

日本的超人气组合SMAP有一首歌在2003年火得不行,排在当年红歌榜第1位,歌名可译为“世界上唯一的花”(世界に一つだけの花)。这首歌之所以受欢迎,不仅是因为它的旋律优美,朗朗上口,更因为它的的主题很符合当时整个日本举国上下的心态。上个世纪八十年代,日本经济飞速发展,日本人自以为赶超美国成为世界老大指日可待;经济大衰退后,日本的定位从“世界第一”转变“世界唯一”,正如歌词中所表达的不做“number one”,只做“only one”。木村拓哉等5位SMAP成员也因这首歌再领风骚,至今仍活跃在日本乐坛上。

下面我将这首歌和石墨烯建立起一点儿联系。

首先,石墨烯有其特殊性,是众多材料中的一朵奇葩。必须承认,石墨烯不是万能的,但它是独特的,有其特定的应用场合。

图1 石墨烯上空的三朵乌云

在石墨烯冉冉上升的同时,它的上空还飘着几朵乌云。其中最大的一朵乌云和石墨烯的生长有关。石墨烯的制备技术发展迅速,采用化学气相沉积法,以金属为基底,可以直接合成大面积石墨烯薄膜。例如,在铜箔上可生长单层石墨烯。碳在铜内的溶解度极低(0.001%),可以保证碳的自限制形核和生长。但石墨烯在金属上的形核点密度很高。石墨烯的形核如同撒种子,种子长大后遍地开花,每朵花都争奇斗艳,在金属表面的覆盖率逐渐增加,最后石墨烯薄片花团锦簇挤在一起,使生长终止。因此,通常最后得到石墨烯并不是一个完整的一体薄膜,而是不连续的松散结构,其中的每一个晶片也不一定是单晶。因此,不论薄膜做得多大,都不能真正自由独立存在(freestanding),需要有其它衫底(固体或液面)来支撑。

图2 石墨烯晶片密集形核(左,版权所有),类似于石墨烯多晶结构的水面上交叠的荷叶(右)

因此,要获得单晶石墨烯,最直接(简单)的思路是从形核和生长两方面来入手。

  1.  如果能控制石墨烯的形核点,使得石墨烯仅在一点形核,之后慢慢长大,最后将整个基底覆盖,即可获得一个连续的大面积单晶。
  2.  如果能通过控制生长,促进唯一的某一个形核点生长,而使其它晶核的生长停止或受到抑制,保证“一枝独秀”,也可以达到类似的目的。

解决问题的关键就是要找到这朵唯一的“花”。

图3 六角形石墨烯晶片(左,版权所有),类比石墨烯的多晶生长(右)

另外,在石墨烯的上空,除了这朵大乌云,还有两朵与之相关的小乌云:一个是能带结构的调控,一个是层数的控制。这其实是碳纳米管同样面临的两个问题(对应于手性和管壁层数的控制)。同样,对于这两个问题,虽然现在还不能找到精确的解决方案,但有不少方法被尝试。例如,引入缺陷、掺杂、外加电场或与其它分子结合可以在一定程度上将能隙“打开”。另外,实现层数(如双层、三层)的原位精确控制虽然很难,但可将多层石墨片打薄,获得我们需要的厚度。

(未完待续)

后附在网上搜到的《世界に一つだけの花》歌词,感兴趣可以下载个MP3听一听,放松一下心情。想一想,做科研又何尝不是如此?科学是个大花园,往往我们都是花丛中的一只小花,想一枝独秀很难。但只要能安下心来做一只与众不同的小花,就有存在的价值。

世界上唯一的花
——SMAP
排列在花店门口

看着各式各样的花

虽然人的喜好各有不同

但是每一朵都很漂亮

在这当中谁最美丽

没有如此的纷争

在筒中夸耀般的

绽开着挺起胸膛
即使如此为何我们人类
却要如此相互比较

每人皆不尽相同
却在那之中想成为第一名
是啊 我们皆是
世界上唯一仅有的花

每个人都拥有不同品种

单纯地为了让那朵花盛开

而努力就好

无论小花或是大花

都不是相同之物

无法成为NO.1也好

原本就是最特别的only one

 

世界に一つだけの花
——SMAP
花屋の店先に乲んだ
,
いろんな花を見ていた

ひとそれぞれ好みはあるけど
どれもみんなきれいだね
この中で誰が一番だなんて
争う事もしないで
バケツの中說らしげに
しゃんと胸を張っているそれなのに僿ら人間は
どうしてこうも比べたがる?
一人一人違うのにその中で

一番になりたがる?そうさ 僿らは
世界に一つだけの花
一人一人違う穘を持つ
その花を哾かせることだけに
一生懸命になればいい

名前も知らなかったけれど
あの日僿に笑顔をくれた
誰も気づかないような場所で
哾いてた花のように

小さい花や大きな花
一つとして同じものはないから
no.1 にならなくてもいい
もともと特別な only one

该文章原载于朱宏伟教授的科学网博客

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