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张远波:石墨烯和它的兄弟姐妹们

编者按
 
9月30日,墨子沙龙第二季第七场活动,邀请到了来自复旦大学的张远波教授,张远波教授2000年毕业于北京大学技术物理系,2006年于哥伦比亚大学获得物理系博士学位,2011年入选“青年千人”计划,至今在复旦大学任教担任物理系教授、博士生导师。张远波教授的主要研究领域是实验凝聚态物理。
 
此次活动中,张远波教授和我们分享了人类材料的发展历史。材料也可以说是人类文明发展的象征,从真空三极管到硅,从超大规模集成电路到用胶带撕出来的石墨烯,材料的变迁推动着文明的发展。张远波教授说:“当摩尔定律遇到瓶颈,当新材料不断刷新器件的微小程度,未来的我们能不能把神威电脑装在手机里呢?"
 
“我们唯一的局限,是我们的想象力。”
 
演讲 | 张远波
责编 | 吕浩然
 
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张远波:大家好,我是张远波。首先感谢主办方,给我这个机会跟大家聊聊石墨烯和它的兄弟姐妹们。石墨烯大家都很熟悉,从报纸上、新闻里听到各种各样石墨烯的新闻,它其实还有很多兄弟姐妹。
 
在开始石墨烯的讨论之前,我想先聊一下我们整个材料的发展历史。如果说我们回到史前,我们人类的早期历史其实是由材料定义的。人类经过的石器时代、青铜时代、铁器时代,这些都是以材料命名的。如果按照这个“惯例”,为我们这个时代找一种材料来定义的话,毫无疑问就是硅。不光是从我们现今常用的计算机、电脑,还有能源方面,比如太阳能电池,统统都需要借助硅的特殊性质。
 
硅真正开始进入我们生活的一个开端是在1947年,美国的贝尔实验室发现硅这个材料可以做成一个电子开关。如果做成电子开关的话,那这个开关就可以控制另一个开关,可以一次一次连续下去。如果我们用开关的通和断的状态来定义0和1,就可以做通用的计算,这就是我们现在最基本的计算原理。
 
在硅和半导体出现之前,我们的电子计算机其实是这样的:计算机内的电子开关是用真空的三极管,如果大家见过老式的收音机,打开发现里面有这样的管子。它其实就是一种电子开关,我们知道的最早的电子计算机之一就是非常有名的ENIAC,它里面就有17000多个电子开关,还包括其它的电容电阻等等。
 
这样一个设备,重量超过27吨,占了整整一个房间。但是它的功能其实现在看来,非常有限。它的运算速度只是比我们手工计算速度快了大概几千倍而已。
 
但是半导体的出现彻底改变了计算的面貌。半导体,顾名思义,就是导体跟绝缘体之间的一种材料。我们可以用电压控制它的导电性能,来决定它是导通或关断,推动一个小的电压,来控制中间的一个薄层半导体,这样就可以建造一个电子开关。
 
因为控制的材料只能控制薄薄的一层,如果太厚就无法控制,所以这个器件本身就是一个界面。这反而是一个好现象,因为这样器件就可以做得很小。
 
所以半导体器件出现之后,原本很大的真空管就可以做得很小。在一九六几年的时候,美国Texas Instruments(编者注:德州仪器)的Kilby发现:我们可以在一个芯片上面,将很多的器件和电子开关集中在一块,实现一个更复杂的功能。从此,一发不可收拾,人们可以把那么多电子器件整合在一个小小的芯片上,来实现更复杂的功能。所以从那时候开始,半导体一直沿着这个路径发展到今天。
 
所以在六几年的时候,科学家就已经实现在一个芯片上集成十个左右的电子器件,这样的功能我们称之为小规模集成电路。1968年,就可以把几百个器件集成在一个小芯片上面,我们称之为中规模集成电路;然后继续往下发展,1971年,可以在一个小的芯片上面集成两万个器件,所有的这些器件都是一次成型,大大节省成本;1980年,数量能达到一百万,我们称之为超大规模的集成电路。可见工程师对起名字很不讲究,一直用这个思路来取名。
 
现在已经到了一百万以上,所以就叫做极大规模集成电路。我们现在的芯片数目远远大于一百万,但名字还叫极大规模集成电路。下图就是一个芯片,也是极大规模集成电路,上面每一个小块就有成千上万的电子元件在里面,我们肉眼已经看不到了。
为什么这些厂商要拼命地把这些器件做得很小,然后塞在一个芯片里面?这是基于一个分析,由IBM的Robert Dennard等人在上世纪八十年代做的一个分析。
 
如果我们把芯片做得小,在同一个面积上的密度增大一倍的话,计算机的运行速度就可以增大一倍,这是完全成(正)比例的。所以,我们如果把器件做小、把密度变大的话,只有好处、没有坏处,好处就是我们可以做更复杂的东西,可以做更快的计算。
 
所以这也是为什么,我们从六十年代开始一直到今天,持续把样品变小,把线做得更密。
 
1961年,Gordon Moore就总结出来一个规律:他发现每过十八个月,芯片密度就会增加一倍,随之而来的结果就是每过十八个月,芯片的速度就会增加一倍。这被后世称为摩尔定律,这其实也是一个指数的增长,指数增长是非常快的。
 
假如我们把历史上这些计算机的节点画在下图上,会发现他确实是这样的关系,从六几年到现在都还遵循Moore的这个规律。
 
假设这个数据可以一直延续下去,按照这个规律预演,在2023年的时候,一台计算机的计算能力,已经可以跟我们人脑的计算能力相媲美了,这是一个非常快速的增长。
 
如果假设这个规律还可以继续延续,在2045年一台电脑的计算能力,(相当于)人类所有的大脑和计算能力加一块儿,这是一个非常惊人的计算能力,将会彻底改变我们的生活面貌。但实际上,我们生活的面貌已经被这些半导体的计算器件彻底改变了,我们每天用着电脑、手机等等,无一不依赖于我们在半导体领域的进步。
 
给大家举一个例子,就是这样的一个指数增长,到底有多快?1997年,IBM的深蓝第一次打败了世界象棋冠军卡斯帕罗夫,当年他们用的这台超级电脑,在当年的排名是259位,还不是最好的电脑,但是已经打败了我们人类最厉害的国际象棋大师。这台电脑的计算能力一秒钟可以有11.38个gigaflops(注:10^9,即十亿次浮点运算),这是它的计算速度。
 
但是仅仅过了二十年,华为即将在10月份发布的Mate10手机,它的计算能力是580个gigaflops。也就是说,我们现在的手机的运算能力已经比当年的超级计算机要强了很多。所以,我们的手机可以轻易地打败世界上最厉害的国际象棋大师,这样一个进步的速度是非常惊人的。
 
如果我们把很多的芯片组合到一起,组成超级计算机的话,计算能力可以一直往上增加。现在最强的超级计算机在中国,这是最近中国制造的神威超级电脑,它的运算能力是每秒钟可以做93*10^15次运算。大家也可以按照Moore定律做推测,说不定过了几十年之后,我们口袋里的手机就可以跟这个超级计算能力相匹敌。
 
 
我们做的这些推测,多少年之后我们的计算机能够跟人脑比拟,甚至可以跟全人类的人脑的计算能力加起来相比拟,必须依赖Moore的这个假设,摩尔定律在以后的几十年里面也还是成立的,可以一直发展下去。但实际上,其实现在已经碰到了困难,这个困难是什么呢?
 
当年Moore在做这个分析的时候,忽视了一些在当时看来并不是很重要的事情,因为当时的器件还比较大,还没碰到这些问题。但是如果器件做的更小的时候,就会碰到一些他当时忽略的问题,简单来讲就是器件的性质不好。
 
我们想要的一个理想开关是关断的时候是完全关断,没有任何电流通过。但如果器件做得更小的时候,关掉的时候照样有电流可以过去。这个时候的电流完全是一个有害的、造成器件发热的因素,CPU用了一会儿就会发热就是这个道理。此外,因为漏电的关系,我们就没法判断它到底是打开还是关断的,这也导致了一个非常严重的问题:器件无法做得更小。
 
摩尔定律依赖于器件可以一直变得更小,这样就会碰到一个根本性的问题。下图(左)是一个我们在电脑里用的传统的MOSFET半导体系列,我们在门电极上加电压,在中间的信道控制关断和打开。如果我们加一个电压之后,中间就导电了。
 
但是,门电极只能控制薄薄的一层,无法控制更厚的材料。当材料变厚,电流就可以直接漏过去,就产生了漏电效应,这就是问题的根本所在。
 
其实在十几年前,工程师就已经注意到了这个漏电问题。当时发明了这样一个结构,发明人还是一个伯克利的华裔教授胡正明,他的想法就是这个器件不把它平躺在平面上,而是把它竖起来,像鱼鳍一样,所以就把它叫做FinFET(鱼鳍场效应管)。这样就可以把门电极包裹起来,进而对材料有一个更好的控制,可以暂时绕过漏电问题。所以我们现在用的手机里面的晶体管,其实就是长这样子。
 
通过很多代的不懈努力,我们现在的技术发展到了什么地步?现在10nm的FinFET,每个竖起来的“鱼鳍”都是一个器件,尺度已经到了10nm左右,而10nm已经商用化,可以用得到、买得到了。7nm的器件也已经发布,还是同样的价格。
 
但如果再往下,是不是还可以继续?现在发现,已经不行了。5nm以下已经不能用同样的技术了,必须要找到新的办法。如果我们按照摩尔定律的设想往下发展的话,理论上的极限在哪里?现在的器件是用具体材料做的,那么理论极限应该是单原子,7nm纳米的厚度也就只有70个原子这么厚。
    
所以,下一步是什么?这个是半导体工程师天天在思考的事情。其中一个解决办法是将器件做的越来越薄,越来越逼近于单原子的厚度。但传统的半导体是三维的材料,如果把传统的半导体做成薄层之后,它原有的半导体性质将完全消失。
 
所以,用原有的技术将器件做得越来越薄,这个思路是走不通的。但是传统的半导体走不通,新的材料说不定可以克服这个问题,这就是今天故事真正的主角——石墨烯。
 
石墨烯的出现给了材料学家很大的希望,它本身就是单原子,这个单原子的厚度还保持原本的特性,如果能做电子开关的话,那就能一劳永逸地解决前述的问题。
石墨烯的发现本身就是一个很好的故事。2004年,英国曼彻斯特大学的Geim group发现了石墨烯。其实石墨烯在发现之前一直存在于我们的身边,比如铅笔芯里面用的石墨,其实就是一层层的石墨烯摞起来的,单层的石墨其实就是石墨烯。Andre Geim和他的博士后Konstantin Novoselov在2010年也因为石墨烯的发现获得了诺贝尔物理奖。颁奖词里面就特别提到了,他(们)是因为在二维材料石墨烯里边的发现而获奖的。
 
他们当时怎么找到这个材料的呢?用的工具其实就是一卷胶带,这个胶带并不是高科技的胶带,而是我们在文具店里面可以买到的那种。先把石墨片放在胶带上,铺满整个胶带,再用手压一压,揭起来一层,这样就成功了。然后需要把揭起来的石墨放到显微镜下,观察、寻找单层的石墨烯。在显微镜下,我们就可以通过肉眼看到单层的碳原子,这是非常神奇的事情。
 
把石墨弄成单层之后,科学家们发现这完全就是一个新材料,它的物理性质跟石墨完全不同。
 
半导体领域经常提到能带的概念,就是在一个材料里它可以存在的电子态。然而在石墨烯里面,两个能带之间是没有空隙的。我们回头看,石墨烯之所以被寄予很大的厚望是因为如果它能做电子开关的话,甚至于能取代硅。
 
但是观察石墨烯的能带以后,很多人心里就会凉半截:如果没有能带(间隙)的话,就无法做很好的开关,在任何时候都有电流可以通过。所以,这样的能带结构给了石墨烯优美的物理性质,却在实际应用上产生了一个无法解决的瓶颈。
 
但石墨烯的出现却给出了一个全新的视角,它的单层结构产生了全新的性质,这样就可以把它推广到别的材料。除了石墨以外,有上百种材料都是这样一层层摞起来的,只是每一层不一样而已。按照这样的想法,可以寻找更多的新材料,石墨烯不行,那是不是别的材料可以呢?现在还不清楚,但这是一个新的机会。
 
二维硫族化合物、一些高温超导体等等,很多都是这样的一层一层的材料。不光有半导体,还有超导体、金属等等。对这些材料的探索,是材料物理、也是凝聚态物理一个前沿的问题,这也是非常活跃的一个领域。
 
我们同陈(仙辉)老师合作,最近找到了一个新材料——黑磷。黑鳞本身是一个“老”材料,但如果将它做成薄层的话,发现它的能带中间是有空隙的。利用这个空隙,我们就可以把它当做半导体来用,制做电子开关。这也给我们很大的希望,我们现在正在想办法,把这个方法、材料做得更好、更大,希望观察它的性质,是否可以满足计算的需求。
我们刚才讨论,假如说把半导体的材料做成电子开关,而且可以把它做得很密、很小的话,可以让我们的计算信息处理速度很快,处理更复杂、更快的计算。然而,我们现在不光对计算有要求,对信息存储也有要求。现在是大数据的时代,有海量数据需要处理。这些信息需要存储在一些介质上面,而且要有很方便的办法来读取。
 
那么,这些信息怎么存储起来?这也跟材料有关。现有的存储介质主要是硬盘,信息在硬盘里面长什么样子?
 
下图可以看出,每个条纹都是一个磁头,如果磁铁的磁场方向是向上的,我们就把它设为0,反之设为1,所有信息全部都转化为0和1。磁头可以探测这个磁场方向,到底是0还是1,然后读取出来。如果磁头上面用一个更强的磁场,把底下的磁场方向反转的话,就可以把0和1写进去。
 
所以,我们有很方便的办法进行读写,这也是现在存储的基础。当然最近这些年,我们有别的办法,比如半导体器件,也可以把这个0跟1存起来。我们现在看到的,当然也是很多代的科学家、工程师努力的结果。
 
现在存储的密度最大能做到多大?一立方英寸能存1.3T的信息。换算到单位面积,一个字节仅有20纳米乘20纳米,已经到了纳米量级。再换算成原子的话,大概是两百原子乘两百原子的一个面积,大概是四万左右的原子。当然,现在还没有做到单原子层。
    
这些是我们现在技术的最前端,我们可以跳出来想想:计算跟存储的极限到底在哪里?世界是由物质组成的,平常的物质都是原子组成的,最后这个极限当然就是在原子的使用。
 
这其实在纳米技术出现之前,1959年,美国的科学家Feynman已经想到这些问题。他曾在一次报告中提到,“我想描述一个领域,虽然其中达到的成就并不多,但在理论上却有很多的东西可以做。我现在要谈的就是有关在一个小尺度下来操运和控制东西的问题,没有任何的科学阻止我们这么做。”
 
 
他说的这个领域,就是现在所说的纳米领域,在小的尺度下来操控和控制物质。他当时提到一个非常有趣的分析:假设从人类有历史以来,有文字记录以来,把所有的信息用原子存储的话,到底要花费多少原子?假设我们用125个原子编码一个字符,把所有的信息计算一下到底需要多少原子?我们发现,需要10的15次方个原子。
 
这个数听起来非常大,但原子是非常小的。所以,假如说把这些原子放在一起的话,占多少空间?大概就是一粒灰尘的大小,这一粒灰尘就可以存储人类有史以来制造的信息,这是非常大的空间,也是Feynman所说的空间。
 
当然,用原子来存储信息听起来是不可能的任务,但其实已经有现成的系统做到了,这是我们自己,我们生物体本身。
 
我们生物体所有的信息,都是存储在DNA分子里面,这个分子是一个长链,有四个字母(A、T、C、G),每个字母其实就是一百多个原子,大概几百个原子来组成字母。字母组成一个长链之后,制造我们自己需要的所有信息都在里面,大脑的脑细胞怎么排列,头发是黑的还是黄的,眼睛的颜色是什么,骨头怎么长,上面需要一个洞、神经穿过去等等,全部信息都存在这个分子里面。它里面存着大概30亿个碱基对,因为是单分子量级,这些它可以把它全部塞在一个细胞核里面。
 
这样的在原子量级的信息存储是有现成的系统在应用的,而且用得非常好。而且,不光是可以存储,所有的生物系统都有一套非常完善的机制,这个信息可以复制,然后可以读取出来,DNA转录成mRNA,然后mRNA转录成蛋白质等等。所以,生物体本身就是一个在原子(层面)信息处理、存储信息的一个非常神奇的系统。
 
自然界已经做到了,那么,我们作为信息存储的产物能不能做到?能不能用工程、技术的办法做到?在讨论前沿的之前,假如在科学上不计成本的话,它的极限在哪?
    
最后,我想用Feynman的一段话做结尾,我们以后要往哪里走,这些科学上可能的事情我们能不能实现,这需要以后很多代科学家的共同努力。用他的话来讲就是,人类尚且年轻,一切才刚刚开始。我们遇到问题是理所当然的事情,但是未来还有千千万万年,我们的责任就是尽力去做、尽力去学,寻求更好的解决办法,把它传给后人。
 
这些用什么办法实现,或者我们的科学到底要走向哪里?我们唯一的局限,是我们自己的想象力,谢谢大家。
 
 
注:本文转载自「墨子沙龙」,搜索「MiciusSalon」即可关注。
 
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