如果把材料科學比作玩具盒子 石墨烯可不是無所不能的樂高塊

材料牛注：最近幾年，石墨烯因其優良的性能而名聲大噪，但內幕科研工作者都知道石墨烯同時具有很大的限制性，搞科研很有用，但要想真正走向應用造福人類還為時尚遠。主要原因是什么呢？——沒有能隙。目前，研究者們正致力于尋找能夠突破這個制約的方法，例如研發設計新材料如MoS2，改性石墨烯或將石墨烯與其他材料復合等等。

你可能聽說過石墨烯，只有一個原子厚度的純碳薄片。從2004年被成功制備表征出來，至今仍風靡于材料科學界，且絲毫無衰退現象。理所當然，它獲得了大量媒體炒作，很多報告鼓吹石墨烯是一種超薄，超強，超導電性，超彈性材料，可以用在電子、醫療、污水處理等等場合。所以，你就以為石墨烯當真就是個可以挽救全人類的厄運的重要角色么？

實際上未必見得。在目前的納米電子學領域，除了石墨烯，還有更多的材料正在開發。比如二硫化鉬（MoS2），它的可見光吸收量是石墨烯的5倍，有望用于光檢測器和太陽能電池。再比如硼烯（硼原子組成的單原子層材料，理論機械強度高于石墨烯），每一天世界各地的某個角落可能都有人在提取和合成這種材料。

這些以及其他還未被探索出來的材料，都可能會像樂高塊一樣，未來用于組裝更加神秘的電子產品。通過不同方式堆疊不同種類的材料，從而可以利用各自不同的性能。而且用這些組合結構組建的新型電子產品將會比我們現在用的更快、更小、更耐候和更便宜。

石墨烯不會成為炒作中萬能材料的一個關鍵原因在于，它沒有能隙（能帶寬度，energy gap，或作“帶隙”）。因此，科學家們不可能通過簡單重復地堆疊石墨烯從而獲得想要的結果。

我們知道，金屬在任何環境下都能導電。而除金屬之外的其他任何材料都需要來自外界的一個大小不一的激發能量，使電子吸收能量得以穿過禁帶從而進入導通狀態。以上材料所需的激發能量就稱為能隙，不同材料能隙不同。從宏觀電學器件角度來說，組成材料的能隙是決定器件導通、發揮作用所需要外界施加能量的總和，不管這種能量是熱能還是外加電壓。也就是說，設備運作的前提是輸入足夠的激發能量。

能帶就長這個樣子

有的材料能隙太寬，幾乎沒有能量能促使電荷激發導通。這種材料一般被稱為絕緣體，如玻璃。另外一些材料要么能隙很小或者根本沒有能隙，這些材料一般是金屬，如銅。這也是一般使用銅線做電線，而用塑料等絕緣材料作為電線外部保護層的原因。

除此之外，能隙處于絕緣體和金屬之間的，一般為半導體，如硅。半導體的電性能與溫度有很大的依賴關系，處于絕對零度時，材料導電性差，而當溫度達室溫，周圍環境中的熱量就足以提供能量，使部分電子跨越禁帶，材料轉變為電學導通狀態。

金屬、半導體、絕緣體三類材料各自帶隙的對比。

石墨烯實際上是一種半金屬，它沒有能隙，也就意味著它能一直導電——無可阻擋。

這是一個令人頭疼的問題。電氣設備是通過電流實現通訊的。從根本上說，計算機通訊是通過傳遞信號“1”和“0”即導通和關閉信號進行的。如果電腦元件是用石墨烯制作的，系統就會一直處于導通狀態，進而無法完成任務。因為缺少能隙使得石墨烯不會發出信號“0”，電腦將一直獲取信號“1”。相比之下，半導體材料則具有合適的能隙，它既能讓部分電子導電，又能明顯區分導通和關閉狀態。

想象你的電腦由石墨烯基體組建而成

不過情況也沒那么悲觀目前，研究者們主要從以下三種途徑來探索可能的解決方案：

1）使用（尋找）與石墨烯相似的新材料——這種材料本身具備了足夠的能隙，然后找出提高其導電性的方法。
2）改變石墨烯自身，想辦法制造出能隙。
3）將石墨烯與其他材料結合，優化復合性能。

目前已經有許多具備足夠能隙寬度的單層材料正被眾多科學家研究，比如MoS2——有望取代傳統硅材料，同時也可用作光學探測器和氣體傳感器。

對這些替代材料來說，到目前為止，唯一缺陷就是還沒有哪一種材料能媲美石墨烯的導電性。這些替代材料的導電性能夠被關閉，但當處于導通狀態時并不如石墨烯一樣優異。據估計，在小型設備中MoS2本身只具備石墨烯1/15到1/10的導電性。研究者們目前正在尋找能夠改變這些材料提高其導電性的方法。

將石墨烯作為組成部分，或許是個不錯的選擇。

令人驚奇的是，通過改性可以誘導激發出石墨烯的能隙！例如彎折、制作成納米帶、摻雜異種化學元素或者使用雙層石墨烯等等。但是以上改性方法都會多少影響石墨烯本身的導電性，或者限制其使用性。

簡而話之，將石墨烯與其他材料混合，可以使每種材料的性能相結合，從而獲得最佳性能。例如，我們可以發明一種新的電學元件，既存在能夠導通或關閉它們的材料，例如MoS2，同時這種材料在導通時又能具備石墨烯一樣的導電性。新型太陽能電池就是基于這一理念。

太陽能電池板需要能夠適應嚴酷的環境，傳統做法就是添加中間層——在高效的光伏吸收材料表面裝置一層薄薄的、透明的保護性材料，這樣反過來還可以在比鄰電池之間起到良好的導電性。除此之外，中間層還可以是優良的氣體選擇性檢測材料，例如用來檢測甲烷或二氧化碳的材料。

因此，各國各領域的研究者們都在迫切的想要找到一個最佳的組合配比——能夠適用于不同實際場合。無論最終哪位科學家摘得這項成果，隨之而來的必定是無盡的專利、榮譽，因為這對電子產品的性能提升彌足重要。

沒有人知道未來的電子設備將是什么樣子。在材料科學領域，新的“樂高積木”也一直不斷地被發西安、創造出來，科學家們堆積和重組積木的方式也在不停的變化。或許，我們唯一可以確定的，就是未來電子設備的內在組成形式與現在的相比，將發生徹底的改變！

本文參考了近日發布于The conversation網站上的一個談話底稿，由材料人新銳編輯黃瓊編譯，編輯審核整理。

參考地址：Graphene isn't the only Lego in the materials-science toy box