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年畢業於北京大學技術物理系，2006年於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域是實驗凝聚態物理。

此次活動中，張遠波教授和我們分享了人類材料的發展歷史。材料也可以說是人類文明發展的象徵，從真空三極體到硅，從超大規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，是我們的想像力。」

張遠波演講視頻

演講 | 張遠波

責編 | 呂浩然

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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? 張遠波

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展歷史。如果說我們回到史前，我們人類的早期歷史其實是由材料定義的。人類經過的石器時代、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。不光是從我們現今常用的計算機、電腦，還有能源方面，比如太陽能電池，統統都需要藉助硅的特殊性質。

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現硅這個材料可以做成一個電子開關。如果做成電子開關的話，那這個開關就可以控制另一個開關，可以一次一次連續下去。如果我們用開關的通和斷的狀態來定義0和1，就可以做通用的計算，這就是我們現在最基本的計算原理。

在硅和半導體出現之前，我們的電子計算機其實是這樣的：計算機內的電子開關是用真空的三極體，如果大家見過老式的收音機，打開發現裡面有這樣的管子。它其實就是一種電子開關，我們知道的最早的電子計算機之一就是非常有名的ENIAC，它裡面就有17000多個電子開關，還包括其它的電容電阻等等。

這樣一個設備，重量超過27噸，佔了整整一個房間。但是它的功能其實現在看來，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。

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。這反而是一個好現象，因為這樣器件就可以做得很小。

所以半導體器件出現之後，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（編者註：德州儀器）的Kilby發現：我們可以在一個晶元上面，將很多的器件和電子開關集中在一塊，實現一個更複雜的功能。從此，一發不可收拾，人們可以把那麼多電子器件整合在一個小小的晶元上，來實現更複雜的功能。所以從那時候開始，半導體一直沿著這個路徑發展到今天。

所以在六幾年的時候，科學家就已經實現在一個晶元上集成十個左右的電子器件，這樣的功能我們稱之為小規模集成電路。1968年，就可以把幾百個器件集成在一個小晶元上面，我們稱之為中規模集成電路；然後繼續往下發展，1971年，可以在一個小的晶元上面集成兩萬個器件，所有的這些器件都是一次成型，大大節省成本；1980年，數量能達到一百萬，我們稱之為超大規模的集成電路。可見工程師對起名字很不講究，一直用這個思路來取名。

現在已經到了一百萬以上，所以就叫做極大規模集成電路。我們現在的晶元數目遠遠大於一百萬，但名字還叫極大規模集成電路。下圖就是一個晶元，也是極大規模集成電路，上面每一個小塊就有成千上萬的電子元件在裡面，我們肉眼已經看不到了。

為什麼這些廠商要拚命地把這些器件做得很小，然後塞在一個晶元裡面？這是基於一個分析，由IBM的Robert Dennard等人在上世紀八十年代做的一個分析。

如果我們把晶元做得小，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，我們如果把器件做小、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複雜的東西，可以做更快的計算。

所以這也是為什麼，我們從六十年代開始一直到今天，持續把樣品變小，把線做得更密。

1961年，Gordon Moore就總結出來一個規律：他發現每過十八個月，晶元密度就會增加一倍，隨之而來的結果就是每過十八個月，晶元的速度就會增加一倍。這被後世稱為摩爾定律，這其實也是一個指數的增長，指數增長是非常快的。

假如我們把歷史上這些計算機的節點畫在下圖上，會發現他確實是這樣的關係，從六幾年到現在都還遵循Moore的這個規律。

假設這個數據可以一直延續下去，按照這個規律預演，在2023年的時候，一台計算機的計算能力，已經可以跟我們人腦的計算能力相媲美了，這是一個非常快速的增長。

如果假設這個規律還可以繼續延續，在2045年一台電腦的計算能力，（相當於）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，無一不依賴於我們在半導體領域的進步。

給大家舉一個例子，就是這樣的一個指數增長，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，當年他們用的這台超級電腦，在當年的排名是259位，還不是最好的電腦，但是已經打敗了我們人類最厲害的國際象棋大師。這台電腦的計算能力一秒鐘可以有11.38個gigaflops（註：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月份發布的Mate10手機，它的計算能力是580個gigaflops。也就是說，我們現在的手機的運算能力已經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。

如果我們把很多的晶元組合到一起，組成超級計算機的話，計算能力可以一直往上增加。現在最強的超級計算機在中國，這是最近中國製造的神威超級電腦，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後，我們口袋裡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，多少年之後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，摩爾定律在以後的幾十年裡面也還是成立的，可以一直發展下去。但實際上，其實現在已經碰到了困難，這個困難是什麼呢？

當年Moore在做這個分析的時候，忽視了一些在當時看來並不是很重要的事情，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不好。

我們想要的一個理想開關是關斷的時候是完全關斷，沒有任何電流通過。但如果器件做得更小的時候，關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、造成器件發熱的因素，CPU用了一會兒就會發熱就是這個道理。此外，因為漏電的關係，我們就沒法判斷它到底是打開還是關斷的，這也導致了一個非常嚴重的問題：器件無法做得更小。

摩爾定律依賴於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斷和打開。如果我們加一個電壓之後，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，工程師就已經注意到了這個漏電問題。當時發明了這樣一個結構，發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。所以我們現在用的手機裡面的晶體管，其實就是長這樣子。

通過很多代的不懈努力，我們現在的技術發展到了什麼地步？現在10nm的FinFET，每個豎起來的「魚鰭」都是一個器件，尺度已經到了10nm左右，而10nm已經商用化，可以用得到、買得到了。7nm的器件也已經發布，還是同樣的價格。

但如果再往下，是不是還可以繼續？現在發現，已經不行了。5nm以下已經不能用同樣的技術了，必須要找到新的辦法。如果我們按照摩爾定律的設想往下發展的話，理論上的極限在哪裡？現在的器件是用具體材料做的，那麼理論極限應該是單原子，7nm納米的厚度也就只有70個原子這麼厚。

所以，下一步是什麼？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，越來越逼近於單原子的厚度。但傳統的半導體是三維的材料，如果把傳統的半導體做成薄層之後，它原有的半導體性質將完全消失。

所以，用原有的技術將器件做得越來越薄，這個思路是走不通的。但是傳統的半導體走不通，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，如果能做電子開關的話，那就能一勞永逸地解決前述的問題。

石墨烯的發現本身就是一個很好的故事。2004年，英國曼徹斯特大學的Geim group發現了石墨烯。其實石墨烯在發現之前一直存在於我們的身邊，比如鉛筆芯裡面用的石墨，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和他的博士後Konstantin Novoselov在2010年也因為石墨烯的發現獲得了諾貝爾物理獎。頒獎詞裡面就特別提到了，他（們）是因為在二維材料石墨烯裡邊的發現而獲獎的。

他們當時怎麼找到這個材料的呢？用的工具其實就是一卷膠帶，這個膠帶並不是高科技的膠帶，而是我們在文具店裡面可以買到的那種。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。然後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。

把石墨弄成單層之後，科學家們發現這完全就是一個新材料，它的物理性質跟石墨完全不同。

半導體領域經常提到能帶的概念，就是在一個材料里它可以存在的電子態。然而在石墨烯裡面，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的話，甚至於能取代硅。

但是觀察石墨烯的能帶以後，很多人心裡就會涼半截：如果沒有能帶（間隙）的話，就無法做很好的開關，在任何時候都有電流可以通過。所以，這樣的能帶結構給了石墨烯優美的物理性質，卻在實際應用上產生了一個無法解決的瓶頸。

但石墨烯的出現卻給出了一個全新的視角，它的單層結構產生了全新的性質，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、也是凝聚態物理一個前沿的問題，這也是非常活躍的一個領域。

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，發現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，製做電子開關。這也給我們很大的希望，我們現在正在想辦法，把這個方法、材料做得更好、更大，希望觀察它的性質，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，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，處理更複雜、更快的計算。然而，我們現在不光對計算有要求，對信息存儲也有要求。現在是大數據的時代，有海量數據需要處理。這些信息需要存儲在一些介質上面，而且要有很方便的辦法來讀取。

那麼，這些信息怎麼存儲起來？這也跟材料有關。現有的存儲介質主要是硬碟，信息在硬碟裡面長什麼樣子？

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，我們就把它設為0，反之設為1，所有信息全部都轉化為0和1。磁頭可以探測這個磁場方向，到底是0還是1，然後讀取出來。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，這也是現在存儲的基礎。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。我們現在看到的，當然也是很多代的科學家、工程師努力的結果。

現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，一個位元組僅有20納米乘20納米，已經到了納米量級。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，現在還沒有做到單原子層。

這些是我們現在技術的最前端，我們可以跳出來想想：計算跟存儲的極限到底在哪裡？世界是由物質組成的，平常的物質都是原子組成的，最後這個極限當然就是在原子的使用。

這其實在納米技術出現之前，1959年，美國的科學家Feynman已經想到這些問題。他曾在一次報告中提到，「我想描述一個領域，雖然其中達到的成就並不多，但在理論上卻有很多的東西可以做。我現在要談的就是有關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麼做。」

他說的這個領域，就是現在所說的納米領域，在小的尺度下來操控和控制物質。他當時提到一個非常有趣的分析：假設從人類有歷史以來，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？假設我們用125個原子編碼一個字元，把所有的信息計算一下到底需要多少原子？我們發現，需要10的15次方個原子。

這個數聽起來非常大，但原子是非常小的。所以，假如說把這些原子放在一起的話，佔多少空間？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製造的信息，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，但其實已經有現成的系統做到了，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分子裡面，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後，製造我們自己需要的所有信息都在裡面，大腦的腦細胞怎麼排列，頭髮是黑的還是黃的，眼睛的顏色是什麼，骨頭怎麼長，上面需要一個洞、神經穿過去等等，全部信息都存在這個分子裡面。它裡面存著大概30億個鹼基對，因為是單分子量級，這些它可以把它全部塞在一個細胞核裡面。

這樣的在原子量級的信息存儲是有現成的系統在應用的，而且用得非常好。而且，不光是可以存儲，所有的生物系統都有一套非常完善的機制，這個信息可以複製，然後可以讀取出來，DNA轉錄成mRNA，然後mRNA轉錄成蛋白質等等。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。

自然界已經做到了，那麼，我們作為信息存儲的產物能不能做到？能不能用工程、技術的辦法做到？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？

最後，我想用Feynman的一段話做結尾，我們以後要往哪裡走，這些科學上可能的事情我們能不能實現，這需要以後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，我們的責任就是儘力去做、儘力去學，尋求更好的解決辦法，把它傳給後人。

這些用什麼辦法實現，或者我們的科學到底要走向哪裡？我們唯一的局限，是我們自己的想像力，謝謝大家。

註：本文轉載自「墨子沙龍」，搜索「MiciusSalon」即可關注。

製版編輯： 許逸｜

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