如果把材料科学比作玩具盒子 石墨烯可不是无所不能的乐高块

欧洲足球赛事 注：最近几年，石墨烯因其优良的性能而名声大噪，但内幕科研工作者都知道石墨烯同时具有很大的限制性，搞科研很有用，但要想真正走向应用造福人类还为时尚远。主要原因是什么呢？——没有能隙。目前，研究者们正致力于寻找能够突破这个制约的方法，例如研发设计新材料如MoS2，改性石墨烯或将石墨烯与其他材料复合等等。

你可能听说过石墨烯，只有一个原子厚度的纯碳薄片。从2004年被成功制备表征出来，至今仍风靡于材料科学界，且丝毫无衰退现象。理所当然，它获得了大量媒体炒作，很多报告鼓吹石墨烯是一种超薄，超强，超导电性，超弹性材料，可以用在电子、医疗、污水处理等等场合。所以，你就以为石墨烯当真就是个可以挽救全人类的厄运的重要角色么？

实际上未必见得。在目前的纳米电子学领域，除了石墨烯，还有更多的材料正在开发。比如二硫化钼（MoS2），它的可见光吸收量是石墨烯的5倍，有望用于光检测器和太阳能电池。再比如硼烯（硼原子组成的单原子层材料，理论机械强度高于石墨烯），每一天世界各地的某个角落可能都有人在提取和合成这种材料。

这些以及其他还未被探索出来的材料，都可能会像乐高块一样，未来用于组装更加神秘的电子产品。通过不同方式堆叠不同种类的材料，从而可以利用各自不同的性能。而且用这些组合结构组建的新型电子产品将会比我们现在用的更快、更小、更耐候和更便宜。

石墨烯不会成为炒作中万能材料的一个关键原因在于，它没有能隙（能带宽度，energy gap，或作“带隙”）。因此，科学家们不可能通过简单重复地堆叠石墨烯从而获得想要的结果。

我们知道，金属在任何环境下都能导电。而除金属之外的其他任何材料都需要来自外界的一个大小不一的激发能量，使电子吸收能量得以穿过禁带从而进入导通状态。以上材料所需的激发能量就称为能隙，不同材料能隙不同。从宏观电学器件角度来说，组成材料的能隙是决定器件导通、发挥作用所需要外界施加能量的总和，不管这种能量是热能还是外加电压。也就是说，设备运作的前提是输入足够的激发能量。

能带就长这个样子

有的材料能隙太宽，几乎没有能量能促使电荷激发导通。这种材料一般被称为绝缘体，如玻璃。另外一些材料要么能隙很小或者根本没有能隙，这些材料一般是金属，如铜。这也是一般使用铜线做电线，而用塑料等绝缘材料作为电线外部保护层的原因。

除此之外，能隙处于绝缘体和金属之间的，一般为半导体，如硅。半导体的电性能与温度有很大的依赖关系，处于绝对零度时，材料导电性差，而当温度达室温，周围环境中的热量就足以提供能量，使部分电子跨越禁带，材料转变为电学导通状态。

金属、半导体、绝缘体三类材料各自带隙的对比。

石墨烯实际上是一种半金属，它没有能隙，也就意味着它能一直导电——无可阻挡。

这是一个令人头疼的问题。电气设备是通过电流实现通讯的。从根本上说，计算机通讯是通过传递信号“1”和“0”即导通和关闭信号进行的。如果电脑元件是用石墨烯制作的，系统就会一直处于导通状态，进而无法完成任务。因为缺少能隙使得石墨烯不会发出信号“0”，电脑将一直获取信号“1”。相比之下，半导体材料则具有合适的能隙，它既能让部分电子导电，又能明显区分导通和关闭状态。

想象你的电脑由石墨烯基体组建而成

不过情况也没那么悲观目前，研究者们主要从以下三种途径来探索可能的解决方案：

1）使用（寻找）与石墨烯相似的新材料——这种材料本身具备了足够的能隙，然后找出提高其导电性的方法。
2）改变石墨烯自身，想办法制造出能隙。
3）将石墨烯与其他材料结合，优化复合性能。

目前已经有许多具备足够能隙宽度的单层材料正被众多科学家研究，比如MoS2——有望取代传统硅材料，同时也可用作光学探测器和气体传感器。

对这些替代材料来说，到目前为止，唯一缺陷就是还没有哪一种材料能媲美石墨烯的导电性。这些替代材料的导电性能够被关闭，但当处于导通状态时并不如石墨烯一样优异。据估计，在小型设备中MoS2本身只具备石墨烯1/15到1/10的导电性。研究者们目前正在寻找能够改变这些材料提高其导电性的方法。

将石墨烯作为组成部分，或许是个不错的选择。

令人惊奇的是，通过改性可以诱导激发出石墨烯的能隙！例如弯折、制作成纳米带、掺杂异种化学元素或者使用双层石墨烯等等。但是以上改性方法都会多少影响石墨烯本身的导电性，或者限制其使用性。

简而话之，将石墨烯与其他材料混合，可以使每种材料的性能相结合，从而获得最佳性能。例如，我们可以发明一种新的电学元件，既存在能够导通或关闭它们的材料，例如MoS2，同时这种材料在导通时又能具备石墨烯一样的导电性。新型太阳能电池就是基于这一理念。

太阳能电池板需要能够适应严酷的环境，传统做法就是添加中间层——在高效的光伏吸收材料表面装置一层薄薄的、透明的保护性材料，这样反过来还可以在比邻电池之间起到良好的导电性。除此之外，中间层还可以是优良的气体选择性检测材料，例如用来检测甲烷或二氧化碳的材料。

因此，各国各领域的研究者们都在迫切的想要找到一个最佳的组合配比——能够适用于不同实际场合。无论最终哪位科学家摘得这项成果，随之而来的必定是无尽的专利、荣誉，因为这对电子产品的性能提升弥足重要。

没有人知道未来的电子设备将是什么样子。在材料科学领域，新的“乐高积木”也一直不断地被发西安、创造出来，科学家们堆积和重组积木的方式也在不停的变化。或许，我们唯一可以确定的，就是未来电子设备的内在组成形式与现在的相比，将发生彻底的改变！

本文参考了近日发布于The conversation网站上的一个谈话底稿，由材料人新锐编辑黄琼编译，编辑审核整理。

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