張遠波：石墨烯和它的兄弟姐妹們 | 視頻
編者按
9月30日，墨子沙龍第二季第七場活動，邀請到了來自復旦大學的張遠波教授，張遠波教授2000年畢業(yè)于北京大學技術(shù)物理系，2006年于哥倫比亞大學獲得物理系博士學位，2011年入選“青年千人”計劃，至今在復旦大學任教擔任物理系教授、博士生導師。張遠波教授的主要研究領(lǐng)域是實驗凝聚態(tài)物理。
此次活動中，張遠波教授和我們分享了人類材料的發(fā)展歷史。材料也可以說是人類文明發(fā)展的象征，從真空三極管到硅，從超大規(guī)模集成電路到用膠帶撕出來的石墨烯，材料的變遷推動著文明的發(fā)展。張遠波教授說：“當摩爾定律遇到瓶頸，當新材料不斷刷新器件的微小程度，未來的我們能不能把神威電腦裝在手機里呢？"
“我們唯一的局限，是我們的想象力?！?/p>
演講 | 張遠波
責編 | 呂浩然
● ● ●
張遠波：大家好，我是張遠波。首先感謝主辦方，給我這個機會跟大家聊聊石墨烯和它的兄弟姐妹們。石墨烯大家都很熟悉，從報紙上、新聞里聽到各種各樣石墨烯的新聞，它其實還有很多兄弟姐妹。
在開始石墨烯的討論之前，我想先聊一下我們整個材料的發(fā)展歷史。如果說我們回到史前，我們?nèi)祟惖脑缙跉v史其實是由材料定義的。人類經(jīng)過的石器時代、青銅時代、鐵器時代，這些都是以材料命名的。如果按照這個“慣例”，為我們這個時代找一種材料來定義的話，毫無疑問就是硅。不光是從我們現(xiàn)今常用的計算機、電腦，還有能源方面，比如太陽能電池，統(tǒng)統(tǒng)都需要借助硅的特殊性質(zhì)。
硅真正開始進入我們生活的一個開端是在1947年，美國的貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)硅這個材料可以做成一個電子開關(guān)。如果做成電子開關(guān)的話，那這個開關(guān)就可以控制另一個開關(guān)，可以一次一次連續(xù)下去。如果我們用開關(guān)的通和斷的狀態(tài)來定義0和1，就可以做通用的計算，這就是我們現(xiàn)在最基本的計算原理。
在硅和半導體出現(xiàn)之前，我們的電子計算機其實是這樣的：計算機內(nèi)的電子開關(guān)是用真空的三極管，如果大家見過老式的收音機，打開發(fā)現(xiàn)里面有這樣的管子。它其實就是一種電子開關(guān)，我們知道的最早的電子計算機之一就是非常有名的ENIAC，它里面就有17000多個電子開關(guān)，還包括其它的電容電阻等等。
這樣一個設(shè)備，重量超過27噸，占了整整一個房間。但是它的功能其實現(xiàn)在看來，非常有限。它的運算速度只是比我們手工計算速度快了大概幾千倍而已。
但是半導體的出現(xiàn)徹底改變了計算的面貌。半導體，顧名思義，就是導體跟絕緣體之間的一種材料。我們可以用電壓控制它的導電性能，來決定它是導通或關(guān)斷，推動一個小的電壓，來控制中間的一個薄層半導體，這樣就可以建造一個電子開關(guān)。
因為控制的材料只能控制薄薄的一層，如果太厚就無法控制，所以這個器件本身就是一個界面。這反而是一個好現(xiàn)象，因為這樣器件就可以做得很小。
所以半導體器件出現(xiàn)之后，原本很大的真空管就可以做得很小。在一九六幾年的時候，美國Texas Instruments（編者注：德州儀器）的Kilby發(fā)現(xiàn)：我們可以在一個芯片上面，將很多的器件和電子開關(guān)集中在一塊，實現(xiàn)一個更復雜的功能。從此，一發(fā)不可收拾，人們可以把那么多電子器件整合在一個小小的芯片上，來實現(xiàn)更復雜的功能。所以從那時候開始，半導體一直沿著這個路徑發(fā)展到今天。
所以在六幾年的時候，科學家就已經(jīng)實現(xiàn)在一個芯片上集成十個左右的電子器件，這樣的功能我們稱之為小規(guī)模集成電路。1968年，就可以把幾百個器件集成在一個小芯片上面，我們稱之為中規(guī)模集成電路；然后繼續(xù)往下發(fā)展，1971年，可以在一個小的芯片上面集成兩萬個器件，所有的這些器件都是一次成型，大大節(jié)省成本；1980年，數(shù)量能達到一百萬，我們稱之為超大規(guī)模的集成電路?？梢姽こ處煂ζ鹈趾懿恢v究，一直用這個思路來取名。
現(xiàn)在已經(jīng)到了一百萬以上，所以就叫做極大規(guī)模集成電路。我們現(xiàn)在的芯片數(shù)目遠遠大于一百萬，但名字還叫極大規(guī)模集成電路。下圖就是一個芯片，也是極大規(guī)模集成電路，上面每一個小塊就有成千上萬的電子元件在里面，我們?nèi)庋垡呀?jīng)看不到了。
為什么這些廠商要拼命地把這些器件做得很小，然后塞在一個芯片里面？這是基于一個分析，由IBM的Robert Dennard等人在上世紀八十年代做的一個分析。
如果我們把芯片做得小，在同一個面積上的密度增大一倍的話，計算機的運行速度就可以增大一倍，這是完全成（正）比例的。所以，我們?nèi)绻哑骷鲂?、把密度變大的話，只有好處、沒有壞處，好處就是我們可以做更復雜的東西，可以做更快的計算。
所以這也是為什么，我們從六十年代開始一直到今天，持續(xù)把樣品變小，把線做得更密。
1961年，Gordon Moore就總結(jié)出來一個規(guī)律：他發(fā)現(xiàn)每過十八個月，芯片密度就會增加一倍，隨之而來的結(jié)果就是每過十八個月，芯片的速度就會增加一倍。這被后世稱為摩爾定律，這其實也是一個指數(shù)的增長，指數(shù)增長是非常快的。
假如我們把歷史上這些計算機的節(jié)點畫在下圖上，會發(fā)現(xiàn)他確實是這樣的關(guān)系，從六幾年到現(xiàn)在都還遵循Moore的這個規(guī)律。
假設(shè)這個數(shù)據(jù)可以一直延續(xù)下去，按照這個規(guī)律預演，在2023年的時候，一臺計算機的計算能力，已經(jīng)可以跟我們?nèi)四X的計算能力相媲美了，這是一個非?？焖俚脑鲩L。
如果假設(shè)這個規(guī)律還可以繼續(xù)延續(xù)，在2045年一臺電腦的計算能力，（相當于）人類所有的大腦和計算能力加一塊兒，這是一個非常驚人的計算能力，將會徹底改變我們的生活面貌。但實際上，我們生活的面貌已經(jīng)被這些半導體的計算器件徹底改變了，我們每天用著電腦、手機等等，無一不依賴于我們在半導體領(lǐng)域的進步。
給大家舉一個例子，就是這樣的一個指數(shù)增長，到底有多快？1997年，IBM的深藍第一次打敗了世界象棋冠軍卡斯帕羅夫，當年他們用的這臺超級電腦，在當年的排名是259位，還不是最好的電腦，但是已經(jīng)打敗了我們?nèi)祟愖顓柡Φ膰H象棋大師。這臺電腦的計算能力一秒鐘可以有11.38個gigaflops（注：10^9，即十億次浮點運算），這是它的計算速度。
但是僅僅過了二十年，華為即將在10月份發(fā)布的Mate10手機，它的計算能力是580個gigaflops。也就是說，我們現(xiàn)在的手機的運算能力已經(jīng)比當年的超級計算機要強了很多。所以，我們的手機可以輕易地打敗世界上最厲害的國際象棋大師，這樣一個進步的速度是非常驚人的。
如果我們把很多的芯片組合到一起，組成超級計算機的話，計算能力可以一直往上增加?，F(xiàn)在最強的超級計算機在中國，這是最近中國制造的神威超級電腦，它的運算能力是每秒鐘可以做93*10^15次運算。大家也可以按照Moore定律做推測，說不定過了幾十年之后，我們口袋里的手機就可以跟這個超級計算能力相匹敵。
我們做的這些推測，多少年之后我們的計算機能夠跟人腦比擬，甚至可以跟全人類的人腦的計算能力加起來相比擬，必須依賴Moore的這個假設(shè)，摩爾定律在以后的幾十年里面也還是成立的，可以一直發(fā)展下去。但實際上，其實現(xiàn)在已經(jīng)碰到了困難，這個困難是什么呢？
當年Moore在做這個分析的時候，忽視了一些在當時看來并不是很重要的事情，因為當時的器件還比較大，還沒碰到這些問題。但是如果器件做的更小的時候，就會碰到一些他當時忽略的問題，簡單來講就是器件的性質(zhì)不好。
我們想要的一個理想開關(guān)是關(guān)斷的時候是完全關(guān)斷，沒有任何電流通過。但如果器件做得更小的時候，關(guān)掉的時候照樣有電流可以過去。這個時候的電流完全是一個有害的、造成器件發(fā)熱的因素，CPU用了一會兒就會發(fā)熱就是這個道理。此外，因為漏電的關(guān)系，我們就沒法判斷它到底是打開還是關(guān)斷的，這也導致了一個非常嚴重的問題：器件無法做得更小。
摩爾定律依賴于器件可以一直變得更小，這樣就會碰到一個根本性的問題。下圖（左）是一個我們在電腦里用的傳統(tǒng)的MOSFET半導體系列，我們在門電極上加電壓，在中間的信道控制關(guān)斷和打開。如果我們加一個電壓之后，中間就導電了。
但是，門電極只能控制薄薄的一層，無法控制更厚的材料。當材料變厚，電流就可以直接漏過去，就產(chǎn)生了漏電效應，這就是問題的根本所在。
其實在十幾年前，工程師就已經(jīng)注意到了這個漏電問題。當時發(fā)明了這樣一個結(jié)構(gòu)，發(fā)明人還是一個伯克利的華裔教授胡正明，他的想法就是這個器件不把它平躺在平面上，而是把它豎起來，像魚鰭一樣，所以就把它叫做FinFET（魚鰭場效應管）。這樣就可以把門電極包裹起來，進而對材料有一個更好的控制，可以暫時繞過漏電問題。所以我們現(xiàn)在用的手機里面的晶體管，其實就是長這樣子。
通過很多代的不懈努力，我們現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展到了什么地步？現(xiàn)在10nm的FinFET，每個豎起來的“魚鰭”都是一個器件，尺度已經(jīng)到了10nm左右，而10nm已經(jīng)商用化，可以用得到、買得到了。7nm的器件也已經(jīng)發(fā)布，還是同樣的價格。
但如果再往下，是不是還可以繼續(xù)？現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)不行了。5nm以下已經(jīng)不能用同樣的技術(shù)了，必須要找到新的辦法。如果我們按照摩爾定律的設(shè)想往下發(fā)展的話，理論上的極限在哪里？現(xiàn)在的器件是用具體材料做的，那么理論極限應該是單原子，7nm納米的厚度也就只有70個原子這么厚。
所以，下一步是什么？這個是半導體工程師天天在思考的事情。其中一個解決辦法是將器件做的越來越薄，越來越逼近于單原子的厚度。但傳統(tǒng)的半導體是三維的材料，如果把傳統(tǒng)的半導體做成薄層之后，它原有的半導體性質(zhì)將完全消失。
所以，用原有的技術(shù)將器件做得越來越薄，這個思路是走不通的。但是傳統(tǒng)的半導體走不通，新的材料說不定可以克服這個問題，這就是今天故事真正的主角——石墨烯。
石墨烯的出現(xiàn)給了材料學家很大的希望，它本身就是單原子，這個單原子的厚度還保持原本的特性，如果能做電子開關(guān)的話，那就能一勞永逸地解決前述的問題。
石墨烯的發(fā)現(xiàn)本身就是一個很好的故事。2004年，英國曼徹斯特大學的Geim group發(fā)現(xiàn)了石墨烯。其實石墨烯在發(fā)現(xiàn)之前一直存在于我們的身邊，比如鉛筆芯里面用的石墨，其實就是一層層的石墨烯摞起來的，單層的石墨其實就是石墨烯。Andre Geim和他的博士后Konstantin Novoselov在2010年也因為石墨烯的發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理獎。頒獎詞里面就特別提到了，他（們）是因為在二維材料石墨烯里邊的發(fā)現(xiàn)而獲獎的。
他們當時怎么找到這個材料的呢？用的工具其實就是一卷膠帶，這個膠帶并不是高科技的膠帶，而是我們在文具店里面可以買到的那種。先把石墨片放在膠帶上，鋪滿整個膠帶，再用手壓一壓，揭起來一層，這樣就成功了。然后需要把揭起來的石墨放到顯微鏡下，觀察、尋找單層的石墨烯。在顯微鏡下，我們就可以通過肉眼看到單層的碳原子，這是非常神奇的事情。
把石墨弄成單層之后，科學家們發(fā)現(xiàn)這完全就是一個新材料，它的物理性質(zhì)跟石墨完全不同。
半導體領(lǐng)域經(jīng)常提到能帶的概念，就是在一個材料里它可以存在的電子態(tài)。然而在石墨烯里面，兩個能帶之間是沒有空隙的。我們回頭看，石墨烯之所以被寄予很大的厚望是因為如果它能做電子開關(guān)的話，甚至于能取代硅。
但是觀察石墨烯的能帶以后，很多人心里就會涼半截：如果沒有能帶（間隙）的話，就無法做很好的開關(guān)，在任何時候都有電流可以通過。所以，這樣的能帶結(jié)構(gòu)給了石墨烯優(yōu)美的物理性質(zhì)，卻在實際應用上產(chǎn)生了一個無法解決的瓶頸。
但石墨烯的出現(xiàn)卻給出了一個全新的視角，它的單層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了全新的性質(zhì)，這樣就可以把它推廣到別的材料。除了石墨以外，有上百種材料都是這樣一層層摞起來的，只是每一層不一樣而已。按照這樣的想法，可以尋找更多的新材料，石墨烯不行，那是不是別的材料可以呢？現(xiàn)在還不清楚，但這是一個新的機會。
二維硫族化合物、一些高溫超導體等等，很多都是這樣的一層一層的材料。不光有半導體，還有超導體、金屬等等。對這些材料的探索，是材料物理、也是凝聚態(tài)物理一個前沿的問題，這也是非常活躍的一個領(lǐng)域。
我們同陳（仙輝）老師合作，最近找到了一個新材料——黑磷。黑鱗本身是一個“老”材料，但如果將它做成薄層的話，發(fā)現(xiàn)它的能帶中間是有空隙的。利用這個空隙，我們就可以把它當做半導體來用，制做電子開關(guān)。這也給我們很大的希望，我們現(xiàn)在正在想辦法，把這個方法、材料做得更好、更大，希望觀察它的性質(zhì)，是否可以滿足計算的需求。
我們剛才討論，假如說把半導體的材料做成電子開關(guān)，而且可以把它做得很密、很小的話，可以讓我們的計算信息處理速度很快，處理更復雜、更快的計算。然而，我們現(xiàn)在不光對計算有要求，對信息存儲也有要求?，F(xiàn)在是大數(shù)據(jù)的時代，有海量數(shù)據(jù)需要處理。這些信息需要存儲在一些介質(zhì)上面，而且要有很方便的辦法來讀取。
那么，這些信息怎么存儲起來？這也跟材料有關(guān)?，F(xiàn)有的存儲介質(zhì)主要是硬盤，信息在硬盤里面長什么樣子？
下圖可以看出，每個條紋都是一個磁頭，如果磁鐵的磁場方向是向上的，我們就把它設(shè)為0，反之設(shè)為1，所有信息全部都轉(zhuǎn)化為0和1。磁頭可以探測這個磁場方向，到底是0還是1，然后讀取出來。如果磁頭上面用一個更強的磁場，把底下的磁場方向反轉(zhuǎn)的話，就可以把0和1寫進去。
所以，我們有很方便的辦法進行讀寫，這也是現(xiàn)在存儲的基礎(chǔ)。當然最近這些年，我們有別的辦法，比如半導體器件，也可以把這個0跟1存起來。我們現(xiàn)在看到的，當然也是很多代的科學家、工程師努力的結(jié)果。
現(xiàn)在存儲的密度最大能做到多大？一立方英寸能存1.3T的信息。換算到單位面積，一個字節(jié)僅有20納米乘20納米，已經(jīng)到了納米量級。再換算成原子的話，大概是兩百原子乘兩百原子的一個面積，大概是四萬左右的原子。當然，現(xiàn)在還沒有做到單原子層。
這些是我們現(xiàn)在技術(shù)的最前端，我們可以跳出來想想：計算跟存儲的極限到底在哪里？世界是由物質(zhì)組成的，平常的物質(zhì)都是原子組成的，最后這個極限當然就是在原子的使用。
這其實在納米技術(shù)出現(xiàn)之前，1959年，美國的科學家Feynman已經(jīng)想到這些問題。他曾在一次報告中提到，“我想描述一個領(lǐng)域，雖然其中達到的成就并不多，但在理論上卻有很多的東西可以做。我現(xiàn)在要談的就是有關(guān)在一個小尺度下來操運和控制東西的問題，沒有任何的科學阻止我們這么做?！?/p>
他說的這個領(lǐng)域，就是現(xiàn)在所說的納米領(lǐng)域，在小的尺度下來操控和控制物質(zhì)。他當時提到一個非常有趣的分析：假設(shè)從人類有歷史以來，有文字記錄以來，把所有的信息用原子存儲的話，到底要花費多少原子？假設(shè)我們用125個原子編碼一個字符，把所有的信息計算一下到底需要多少原子？我們發(fā)現(xiàn)，需要10的15次方個原子。
這個數(shù)聽起來非常大，但原子是非常小的。所以，假如說把這些原子放在一起的話，占多少空間？大概就是一粒灰塵的大小，這一粒灰塵就可以存儲人類有史以來制造的信息，這是非常大的空間，也是Feynman所說的空間。
當然，用原子來存儲信息聽起來是不可能的任務，但其實已經(jīng)有現(xiàn)成的系統(tǒng)做到了，這是我們自己，我們生物體本身。
我們生物體所有的信息，都是存儲在DNA分子里面，這個分子是一個長鏈，有四個字母（A、T、C、G），每個字母其實就是一百多個原子，大概幾百個原子來組成字母。字母組成一個長鏈之后，制造我們自己需要的所有信息都在里面，大腦的腦細胞怎么排列，頭發(fā)是黑的還是黃的，眼睛的顏色是什么，骨頭怎么長，上面需要一個洞、神經(jīng)穿過去等等，全部信息都存在這個分子里面。它里面存著大概30億個堿基對，因為是單分子量級，這些它可以把它全部塞在一個細胞核里面。
這樣的在原子量級的信息存儲是有現(xiàn)成的系統(tǒng)在應用的，而且用得非常好。而且，不光是可以存儲，所有的生物系統(tǒng)都有一套非常完善的機制，這個信息可以復制，然后可以讀取出來，DNA轉(zhuǎn)錄成mRNA，然后mRNA轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)等等。所以，生物體本身就是一個在原子（層面）信息處理、存儲信息的一個非常神奇的系統(tǒng)。
自然界已經(jīng)做到了，那么，我們作為信息存儲的產(chǎn)物能不能做到？能不能用工程、技術(shù)的辦法做到？在討論前沿的之前，假如在科學上不計成本的話，它的極限在哪？
最后，我想用Feynman的一段話做結(jié)尾，我們以后要往哪里走，這些科學上可能的事情我們能不能實現(xiàn)，這需要以后很多代科學家的共同努力。用他的話來講就是，人類尚且年輕，一切才剛剛開始。我們遇到問題是理所當然的事情，但是未來還有千千萬萬年，我們的責任就是盡力去做、盡力去學，尋求更好的解決辦法，把它傳給后人。
這些用什么辦法實現(xiàn)，或者我們的科學到底要走向哪里？我們唯一的局限，是我們自己的想象力，謝謝大家。
注：本文轉(zhuǎn)載自「墨子沙龍」，搜索「MiciusSalon」即可關(guān)注。
