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。

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