電子自旋革命 石墨烯成真正的“材料之王”

　　電阻率超低、電子遷移速度極快——可以有效傳導(dǎo)電子自旋的石墨烯，令科學(xué)界普遍期待：新一輪電子元器件革命，就要到來。

　　1980年，科學(xué)家在固態(tài)器件中發(fā)現(xiàn)了與電子自旋有關(guān)的電子輸運(yùn)現(xiàn)象，從而出現(xiàn)了自旋電子學(xué)這門新興技術(shù)。

　　隨著“通過電子的自轉(zhuǎn)來降低芯片能耗”這一猜想被科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，科學(xué)家的研究又走向了下一步，即選擇什么樣的材料來傳導(dǎo)電子自旋，從而更自如地控制電子旋轉(zhuǎn)方向。這對于更高性能的電子元器件、存儲和處理更多海量數(shù)據(jù)的自旋計算機(jī)發(fā)展至關(guān)重要。

　　到了2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位教授安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫找到一種簡單的方法，能令石墨薄片越來越薄。最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是如今廣為人知的石墨烯。

　　石墨烯電阻率極低，電子遷移的速度極快。如此卓越的性能令科學(xué)界普遍期待它能引領(lǐng)新一輪的電子元器件革命。

　　榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎后，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫并未放緩對這種神奇材料的鉆研。1年之后，兩人再度在新一期美國《科學(xué)》雜志上報告說，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯能有效傳導(dǎo)電子自旋，有望成為下一代基于電子自旋的電子元件材料。

　　“如果給石墨烯施加一個特殊磁場，就可以在其中實(shí)現(xiàn)電子自旋的傳導(dǎo)，而這種”自旋流“具有成為下一代電子元件工作基礎(chǔ)的潛力。”

　　安德烈·海姆的研究還顯示，在石墨烯中產(chǎn)生的“自旋流”比在其他一些材料中更強(qiáng)烈并且更易控制。

　　都柏林三一學(xué)院助理教授MauroFerreira認(rèn)為，石墨烯之所以成為電子自旋學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最充滿希望的材料的原因是：相比較其他材料，它的自旋軌道相互作用極其小。這意味著其自旋很少與軌道移動產(chǎn)生相互作用。

　　也就是說，石墨自旋所儲藏的信息就能夠比其他材料持續(xù)更長久。

　　值得一提的是，在最新的研究中，科學(xué)家還從理論上展示了通過折疊2D石墨烯片打開帶隙并使其接受磁場。這種方法也在石墨烯片上產(chǎn)生了自旋電流，使其成為電子自旋學(xué)領(lǐng)域的寵兒。

　　石墨烯非比尋常的導(dǎo)電性能被大規(guī)模應(yīng)用或許還需要一段時間。但對于石墨烯薄膜的透光性和柔韌性的應(yīng)用，目前已走向產(chǎn)業(yè)化。美國、英國、日本、韓國和中國都在研究如何令石墨烯大范圍應(yīng)用于包括觸摸屏、顯示屏在內(nèi)的光電領(lǐng)域。

　　劍橋IP數(shù)據(jù)顯示，截至目前記錄在案的11372項(xiàng)與石墨烯相關(guān)專利中，有7924項(xiàng)是制造技術(shù)相關(guān)的專利。其中亞洲有3060項(xiàng)專利。

　　中韓兩國為石墨烯專利主力軍。浙江大學(xué)、清華大學(xué)和交通大學(xué)是國內(nèi)擁有石墨烯專利最多的單位，其中，浙大大學(xué)擁有的專利數(shù)量位列全球第三。另外，國內(nèi)的上市公司中也有數(shù)家涉及石墨烯業(yè)務(wù)，包括金路集團(tuán)、中國寶安及烯碳新材等

　　近日有消息傳出，宇順電子在摻錫氧化銦替代材料--石墨烯材料應(yīng)用方面已經(jīng)開發(fā)出產(chǎn)品，并開始向客戶端進(jìn)行推廣。

　　在不遠(yuǎn)的將來，石墨烯的應(yīng)用范圍還將有望從電子領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大至生物航天、光學(xué)、儲能、生物醫(yī)藥、日常生活等大量領(lǐng)域。從取代硅成為真正的“材料之王”。