关于石墨烯的博士毕业论文

《自然》连刊两文报道石墨烯超导重大发现，值得关注的是，本次两篇Nature论文的第一作者、麻省理工学院博士生曹原来自中国。2018年12月18日，曹原登上《自然》年度科学人物榜首。曹原，男，1996年出生，籍贯是四川成都，美国麻省理工学院博士生。在《自然》上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。

首先声明一点，曹原发现的并不是常温超导现象，另外说明一下，如果现在有谁发现了常温超导现象的话，那么他一定可以得到诺贝尔物理学奖。这本来是去年的事，不知从何时起又被炒起来了，曹原是中国人，1996年出生的他现在正在麻省理工攻读博士学位，前一段时间他发现了石墨烯特殊超导现象，并且以第一作者的身份在世界顶级科学期刊Nature上发表了两篇论文，可以说是名声大振。

超导现象一直以来是科学家乐于研究的，如果一个导体实现了超导，那么就意味着用这个导体传输电流的时候不会发热，也就是不会导致能量损失，这对于科学界来说意义重大，如果常温超导可以实现，那么就意味着世界每年就会节省大量的电能，如果传输电量的材料可以使用超导体的话，那么就会将能源消耗减少到最低。

发现石墨烯的两人团体也获得过诺贝尔奖，由于这种材料的超强性能，被人不断给予新期待，有人拿它做过超导实验，不过没什么进展，而曹源这次的成果就是发现了石墨烯在电子导通和不导通两种状态下的转换，而这个如果能形成一种理论，那么这个临界点怎么形成的，别的材料能不能，如果能也需要什么条件，如果他和他的导师能总结给出一个理论，诺贝尔奖都盖不住他的光芒。

扭转双层石墨烯可视作两层石墨烯以一定的扭转角度堆叠而成，其表面会形成随扭转角度变化的摩尔周期势，其能带结构也受扭转角度的调制。例如，两层石墨烯的能带耦合会导致态密度上范•霍夫奇点的出现，从而赋予其角度依赖的光电特性；非公度扭转角的石墨烯则具有极小的摩擦力；而魔角（~ ）扭转石墨烯则具有一系列新奇的量子效应，引发了人们极大的研究兴趣，催生了新的研究领域——扭转电子学（Twistronics）。目前，实验室的扭转双层石墨烯通常是通过人工堆叠的方法制备。如何通过生长的方法直接制备具有各种扭转角度的双层石墨烯是该领域需要解决的重要问题。

基于金属衬底的化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition, CVD)法被认为是生长高品质石墨烯最有前景的方法，然而，由于AB堆垛具有更高的能量稳定性，CVD高温生长的双层石墨烯更趋向于形成AB堆垛而非扭转双层石墨烯。因此，打破AB堆垛石墨烯在能量上的优势，在高温下实现层间扭转成为一项重要挑战。

近日， 北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士团队 及其合作者提出了“异位成核”(Hetero-site nucleation)的生长策略，通过在生长过程中引入气流扰动控制第二层石墨烯的成核位点，使两层石墨烯的晶格取向分别受到不同区域衬底的诱导，从而得到大比例的扭转双层石墨烯（图1）。

图1. 异位成核法生长策略及生长结果

一般情况下，铜表面石墨烯的生长遵从“自限制”生长模型，而当氢气分压较大时，石墨烯的边缘会从金属钝化变为氢饱和终止，导致边缘与金属的相互作用变弱，并阻碍单层石墨烯的生长，因此活性碳物种可“钻”入第一层石墨烯和铜之间进行第二层的生长。而第二层石墨烯与衬底的相互作用强于石墨烯层间的相互作用，这一特点为层间扭转提供了可能。但仅仅依靠衬底的作用还不足以形成扭转，因为石墨烯的晶格取向在成核初期即被决定，如果两层石墨烯在同一位点成核，则相同的成核环境会使两层石墨烯晶格取向一致，形成AB堆垛石墨烯。

研究人员发现，当两层石墨烯的成核位点不同时，由于衬底的台阶、扭结、位错或颗粒等微观环境的不同，层间扭转的概率会显著增加。为实现第二层石墨烯的可控成核和生长，研究人员采用了扰动生长的策略，即在CVD生长过程中改变氢气和甲烷的分压，调控石墨烯边缘的终止态和附近的局域碳物种浓度。这一方法得到了12C/13C同位素标记生长实验的验证：分别在第5 min、10 min引入“扰动”，第二层的成核时间恰好对应于5 min和10 min，第二层的成核位点也恰好在12C/13C 的交接处，所得到的石墨烯为~30 -tBLG和~9 -tBLG（图2）。同时，不采用扰动的结果则表现为AB堆垛双层石墨烯，这证明了该方法的有效性。

图2. 同位素标记实验结果

研究者还总结了“扰动——异位成核”方法的关键参数，通过控制两步生长法的氢气、碳源比例（图3），实现了高扭转比例（88%）的tBLG。高分辨透射电镜的表征显示出清晰的摩尔条纹（图4）；电学输运测量表明其具有超高的室温载流子迁移率（68,000 cm2V 1s 1）（图5）；角分辨光电子能谱测量显示出清晰的线性能带结构和范·霍夫奇点。这些均证明了通过该方法得到的tBLG具有超高的品质。

图3. 异位成核法生长参数

图4. TEM表征结果

图5. 迁移率测试结果

作者提出了异位成核（Hetero-site nucleation）的策略，通过引入气流扰动控制第二层石墨烯的成核，使两层石墨烯的晶格取向分别受到不同区域衬底的诱导，从而打破了AB堆垛能量最低的限制，实现了大比例的扭转双层石墨烯的制备。该方法为扭转石墨烯及二维材料的制备提供了新的思路，为近年来新兴的扭转电子学研究奠定了材料基础。

相关研究成果以“ Hetero-site nucleation for growing twisted bilayer graphene with a wide range of twist angles ”为题发表在 Nature Communications 杂志上。北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士、彭海琳教授，新加坡国立大学博士后林立，中国科学技术大学黄生洪副教授为本文通讯作者，北京石墨烯研究院孙禄钊博士、曼彻斯特大学王子豪博士、北京大学博士生王悦晨为第一作者，合作者还包括曼彻斯特大学Kostya S. Novoselov教授、苏州大学Mark H. Rummeli教授、中国科学技术大学李震宇教授和牛津大学陈宇林教授等。该论文涉及到的研究工作得到了北京大学化学与分子工程学院、北京分子科学国家研究中心、 科技 部、国家自然科学基金委和北京市科委的资助。

论文链接：

首先声明一点，曹原发现的并不是常温超导现象，另外说明一下，如果现在有谁发现了常温超导现象的话，那么他一定可以得到诺贝尔物理学奖。

这本来是去年的事，不知从何时起又被炒起来了，曹原是中国人，1996年出生的他现在正在麻省理工攻读博士学位，前一段时间他发现了石墨烯特殊超导现象，并且以第一作者的身份在世界顶级科学期刊Nature上发表了两篇论文，可以说是名声大振。

超导现象一直以来是科学家乐于研究的，如果一个导体实现了超导，那么就意味着用这个导体传输电流的时候不会发热，也就是不会导致能量损失，这对于科学界来说意义重大，如果常温超导可以实现，那么就意味着世界每年就会节省大量的电能，如果传输电量的材料可以使用超导体的话，那么就会将能源消耗减少到最低。

但是超导体有一个很特殊的地方，那就是它对温度有严格的要求，一些材料只能够在零下269摄氏度的时候才能变成超导体，但是使用这些材料是很昂贵的，完全不合实际。在曹原的研究中，他发现石墨烯也有可能成为超导体，但是他的发现伟大之处不在于石墨烯超导的温度，而是他使用的方法给了其它科学家一个全新的思路。

科学界研究超导现象已经有100于年的时间了，1911年，荷兰一个科学家发现，用液氮冷却汞，当汞的温度下降到的时候，汞的电阻完全消失，这算是拉开了超导材料研究的序幕。科学家后来还发现，如果将汞置于高压条件下，其临界温度将达到令人难以置信的164k，然而这些距离常温超导来说还是太远了，常温一般来说是20-30摄氏度，也就是300k左右，可见超导现象的研究还有很长的路要走。

曹原发现的石墨烯超导时的临界温度为，接近绝对零度，怎会是常温超导，只不过他采用的方法很特殊，他发现了当两层石墨烯的夹角为魔角（°到°）的时候，双层石墨烯就具有了超导性能，以往科学家都是采用施压的方法升高材料的临界超导温度，但是曹原仅仅是旋转了石墨烯的角度就实现了这一点，可谓是一种全新的思维方式。

常温超导对人类的意义非凡，但是曹原发现的并不是常温超导，某些媒体的宣传存在偏差。曹原发现的石墨烯超导现象，是当双层石墨烯夹角为魔角°（°~°）时，双层石墨烯就拥有了超导性能，超导转变温度最高为。

实现材料的超导这对于人类的发展至关重要，通俗一点去讲当导线没有电阻的时候，电量传输几乎就没有额外消耗。但是目前发现的一些金属或者合金只有在低温的时候才能实现超导现象。这种类型的超导现象被称为常规超导现象，用现有理论可以解释说明的，并且也知道要想通过这种办法实现超导也是前路漫漫。

但曹元发现的通过把石墨烯两层之间旋转特定角度之后实现的超导现象属于非常规超导，这跟之前发现的铜氧化物超导体是比较类似的，都是不走寻常路的。目前来看要想实现常温超导只能不走寻常路了。

只是可惜了曹原的研究成果并非是做到了常温下形成零电阻的超导体石墨烯，而是特定条件才能形成的，所以虽然令人失望，但是也预示着这个研究成果代表着进步，也说明了我们黄种人在许多方面的确也非常厉害，而曹原的研究成果预示了未来的科学界必定有我们的一席之地，至少不会像一两百年前那样只有西方独亮，曹原就是这一类的代表是国家的骄傲。