石墨烯：离我们依然遥远的超级材料

作为单晶石墨薄膜（Monocrystalline Graphitic Films）的石墨烯（Graphene）是一种经过验证的超级材料，其制造工艺和实际应用仍然存在众多挑战。全世界的研发经费投入并关注这个领域长达20年的时间，从最初2004年胶带撕出的诺贝尔，石墨烯的名字家喻户晓，一次又一次的跨界应用吸引着科学界和工业界，却始终没有带给我们真正的惊喜。

自然杂志2018年10月11日的一篇文章“Graphene: You Don’t Get What You Pay For”或许带给我们了答案。文章指出石墨烯的商业化在国际范围内一团糟。许多标记为石墨烯的东西实际上是氧化石墨烯或其还原形式。石墨烯本身有很多质量控制问题，单个碳原子层具有多种有趣的特性，但是它的所有生产方法（包括胶带）都会得到多层物质的混合物。这些材料的特性变得越来越不寻常，当石墨薄膜厚度达到 10 层时，它基本上与块状石墨没有区别。道德底线较低的生产商改用炭黑作为一种更便宜的替代品，因为它的性能不会比他们现在销售的垃圾差多少。文章特别提到，没有一家供应商设法销售任何接近纯单层石墨烯的产品。

自然杂志的这一篇文章在当时引起了学术界和工业界的震动，在资本的推动下的石墨烯已经偏离了原本的物理属性。但这不影响我们回到2004年去探索这一款诺贝尔加持的单晶石墨薄膜二维材料。

2004年10月22日来自英国曼彻斯特大学物理系的Kostya S Novoselov和Andre K Geim在自然材料杂志（Nature Materials）发表了一篇轰动世界的文章“Electric field effect in atomically thin carbon films”第一次向学术界和工业界介绍了石墨二维材料及其特殊的属性，并对新发现的结构进行了命名石墨烯（Graphene），文章的作者因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

We report the observation of the electric field effect in a naturally occurring two-dimensional (2D) material referred to as few-layer graphene (FLG). Graphene is the name given to a single layer of carbon atoms densely packed into a benzene-ring structure, and is widely used to describe properties of many carbon-based materials, including graphite, large fullerenes, nanotubes, etc.

By Kostya S Novoselov and Andre K Geim Electric field effect in atomically thin carbon films

单晶石墨薄膜只有几个原子厚，但在环境条件下仍然保持稳定，具有金属性，并且质量非常高。这些被发现的薄膜价带（Valence Band）和导带（Conductance Band）之间有微小的重叠，并且它们表现出强烈的双极电场效应（Ambipolar Electric Field Effect），使得电子和空穴的浓度高达每平方厘米10的13次方。

Graphene may be the best possible metal for metallic transistor applications. In addition to the scalability to true nanometer sizes envisaged for metallic transistors, graphene also offers ballistic transport, linear current-voltage characteristics, and huge sustainable currents.

By Kostya S Novoselov and Andre K Geim Electric field effect in atomically thin carbon films

石墨烯被首次发现的两年后，2007年3月来自英国曼彻斯特大学物理系的Kostya S Novoselov和Andre K Geim再次于自然材料杂志（Nature Materials）发表了一篇文章“The rise of graphene”回顾了材料科学和凝聚态物理学领域的新星石墨烯。虽然只有当商业产品出现时，人们才能确定应用的真实性。但文章特别提出石墨烯不是转瞬即逝的时尚，而是会持续存在，甚至可能产生更广泛的应用。

从此以后，石墨烯迎来了真正意义的热度，全世界材料领域的学者都先后投入到了石墨烯物理属性和制造工艺方面的研究。