正版 随机漫步与壁虎胶带:象牙塔里走出来的石墨烯 张天蓉 广西科

*讲 背后的故事 一 何谓石墨烯/002 二 石墨烯之父的随机漫步/008 三 磁悬浮青蛙和壁虎胶带/012 四 胶带粘出诺贝尔奖/017 五 兴旺的碳原子家族/021 第二讲 量子世界 一 拨开迷雾求本质/032 二 既是粒子又是波/037 三 量子穿墙术/040 四 自旋/043 五 全同粒子/047 六 量子纠缠/050 七 波函数是什么/053 八 不确定性原理/055 九 量子测量和波函数塌缩/057 十 概率的本质/060 第三讲 细观石墨烯 063 一 原子和电子云/064 二 共价键和杂化轨道/069 三 窥探原子内部/073 四 显微技术知多少/077 五 光谱分析法/085 六 角分辨光电子能谱学/088 七 实验探测石墨烯/092 第四讲 晶格和能带 一 结构决定性质/098 二 何谓晶体/101 三 何谓能带/109 四 导体、绝缘体、半导体/115 五 晶体中的自由电子/118 六 有效质量和能带图/120 七 有效质量的意义/123 第五讲 能带和方程 一 石墨烯的能带/128 二 能带的形成/131 三 薛定谔方程/136 四 狭义相对论/138 五 狄拉克方程/141 六 狄拉克锥/144 第六讲 拓扑世界 一 橡皮膜上的几何学/150 二 经典霍尔效应/154 三 量子霍尔效应/160 四 石墨烯中的霍尔效应/164 五 “冰糖葫芦”模型/167 六 电子自旋舞/174 七 霍尔效应大家族/179 八 石墨烯和拓扑绝缘体/181 第七讲 新型材料 一 石墨烯的制备方法/186 二 石墨烯的“近亲”/194 三 石墨烯的衍生物/200 四 超导和石墨烯/204 五 二维材料/212 六 三维石墨烯/217 第八讲 应用和前景 一 能源材料/220 二 电子器件/225 三 既柔又刚的超薄材料/228 四 轻质的超强材料/230 五 环境净化/231 六 生物医学/234 七 石墨烯和玻璃/237

纵观人类社会的发展，新型材料的发现和使用是关键和重要的一环。这也是为什么人类历史长河中的不少时期是以当时使用的热门材料而命名的。250万年以前，*批人造的石头工具在非洲开始出现，一直到距今50000～4000年时才开始有冶金技术。因此，考古学家们将那一段比200万年更漫长的史前期，称为“石器时代”。因为那是早期人类以石头作为材料制作工具的年代。当然，所谓的石器是广义的。实际上，木材、骨头、贝壳、鹿角及其他天然材料当时也被广泛地作为工具使用。是在石器时代的后期，黏土等材料被烧制成陶器。所以如果细分的话，那段短时期可称为“陶器时代”。随着时间的推进，一系列冶金技术的发展和革新，人类又经历了红铜时代、青铜时代、铁器时代，后来又有了被技术革命推动的蒸汽时代、电气时代、原子时代……直到现在，人类正行进在以硅材料为主导的信息时代。 技术推进社会，材料改变时代，这是毋庸置疑的。此外，材料的性能对各种应用技术安全的重要性，也是一个不争的事实。人类文明的发展史，就是如何改进和创造更多更好的材料，更合理、更安全地使用材料的历史。 也许有人还记得1986年美国“挑战者号”航天飞机爆炸的事故，这场惨剧令包括一名普通女教师在内的七名美国宇航员在起飞73秒后便命丧蓝天。之后，物理学家理查德·费曼参与了这次事故调查，并向公众演示了一个简单的“冰水实验”。原来，故障背后的物理原因竟是一个小小的O形垫圈，惊天事故是因材料性质变化而起！类似于一个普通垫圈，使用那个O形垫圈的目的是为了密封，防止喷气燃料的热气从连接处泄露出来。但由于航天飞机发射当天的气温过低，制环的橡胶材料在低温下失去了应有的弹性，因此使得其中一个O形垫圈失效，从而使炽热的气体漏出，点燃了外部燃料罐中的燃料，并*后导致一系列爆炸的连锁反应。 在1988年，也曾经因为飞机上一个金属材料小零件的寿命问题，引发了从美国夏威夷岛希洛国际机场起飞前往檀香山的波音737客机机身产生裂缝，险些酿成巨大空难。 材料的重要性，从100多年来颁发的诺贝尔物理学奖、化学奖中也可见一斑。诺贝尔奖得主中，因发现和研究材料而得奖之人，占据了不小的比例。能信手拈来的便有以下几个。 肖克利、布拉顿、巴丁三位美国物理学家，因研究半导体并发现晶体管效应，共同分享了1956年诺贝尔物理学奖，人类社会从此开启了“硅时代”。科技潮流几十年的计算机和信息技术中必不可少的集成电路，便是建立在半导体硅材料的基础之上。 美国人安德森、范弗莱克和英国人莫特，因对磁性和无序系统的电子结构的基础性研究，共同分享了1977年诺贝尔物理学奖。安德森研究非晶态物质，创立了凝聚态物理的局域化理论，使新超导材料等大展宏图；范弗莱克等对抗磁性和顺磁性物质研究做出重大贡献；莫特则研究过渡金属等固体材料。 德国化学家施陶丁格提出的“大分子”概念，推动了塑料、合成橡胶、合成纤维等工业的蓬勃发展。施陶丁格也因此荣获1953年诺贝尔化学奖。如今，高分子合成材料与金属材料、无机非金属材料并列构成材料世界重要的三大类别。 1996年，英国人克罗托及另两名美国科学家柯尔和斯莫利，因发现碳元素的新形式——富勒烯C60而获得了当年的诺贝尔化学奖。 本书将要介绍的材料——石墨烯，其发现者荣获了2010年的诺贝尔物理学奖，也是近年来材料研究与诺贝尔奖挂钩的例子。英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫两位教授在石墨烯材料方面进行的研究，开启了新型纳米材料研究应用的大门，使石墨烯及更多的纳米材料成为近年来备受关注的研究课题。石墨烯具有很多优异特性，如高导电性、高导热性、高比表面积和优异的机械性能等，在很多领域都有很好的应用前景。因此，此类研究热潮至今未衰。 如今的材料学是一个多学科领域，涉及物质的性质及其应用。随着近年来纳米科学和纳米技术的蓬勃发展，材料学被推到了高科技的前沿。 纳米技术又是什么呢？就大小而言，它指的是研究结构尺寸在0.1～100 nm范围内材料的性质和应用。实际上，纳米技术的目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品，是一种操作和使用单个原子、分子来构造物质结构的技术。 纳米技术的想法*早来自美国物理学家理查德·菲利普斯·费曼。早在1959年，费曼就天才地预言，如果我们能够从单个的分子甚至原子开始进行组装和控制以达到人类的要求的话，这将会极大地扩充人类获得物性的范围。这便是纳米技术灵感的来源。 如今，各种新材料多到令人眼花缭乱、目不暇接。而下一个量子时代哪种材料将崭露头角并成为主要的物质载体呢？有人认为很可能是石墨烯。 石墨烯在大小和结构上属于二维纳米材料，尽管可以说它的小规模“碎片”原本就天然存在于石墨中，但是对它的深入研究和应用却离不了纳米技术，石墨烯的发现大大促进了纳米材料合成技术的发展，并且石墨烯涉及的物理理论深奥，牵扯的应用前景可观。对它的研发，能够加速新材料在各个领域的广泛应用，其原理涉及量子理论、狭义相对论及数学中的拓扑学。因此可以说，石墨烯是来自象牙塔的新材料，它不仅是材料学家的宠儿，在工程应用方面也大有用武之地，理论上还可能帮助人们对量子理论进行深入探究，拨开其中的层层迷雾，为理论物理学的发展和突破做出贡献。 但是，有关石墨烯的性质和理论研究，多出现在次杂志及专业书籍中。对公众而言，大多数是知其然而不知其所以然。有关石墨烯的应用，媒体报道中也不乏炒作夸大之词，给公众造成许多混淆和疑惑。 那么，石墨烯到底是什么？它有何神奇之处？与其相关的物理原理和应用前景究竟如何？有关石墨烯的书籍中，专业的太专业，一般科普的又过浅显，市场需要一本能够以通俗的语言，深入浅出地为公众解释这种新材料，还其物理本质的科普读物，这便是本书写作的宗旨。 我们希望本书可填补专业书籍与浅科普书籍的间隙。通过阅读本书，既能使广大读者增长科学知识，又能激发年轻人对物理学及材料科学的兴趣，他们迈进科学技术的大门。此外，与石墨烯有关的技术应用不仅需要材料的更新，更重要的是原理上的提升。因此，本书也将使得各个相关领域的研究开发人员受益，帮助他们广开思路，获得启发，并将这种新材料进一步发扬光大，造福人类。 作为历史回顾，在本书的*讲中，我们通过石墨烯的发现过程，为读者讲述有关研究者们饶有趣味且颇具传奇色彩的科研故事。接着的第二讲，则简要介绍理解石墨烯物理必不可少的一些量子力学知识和术语。为了更形象地认识石墨烯所涉及的微观世界，在第三讲中，借用几种石墨烯研究中常用的实验检测方法，给读者描绘出一幅原子及亚原子世界的直观图。 石墨烯的特殊性质，来源于它的二维晶体结构。是其电子输运性能，与其能带结构密切相关，因此我们需要懂得一点固体物理及能带论的知识，这是第四讲的内容。第五讲简单解释石墨烯能带狄拉克锥的相对论特性。第六讲则从普及和趣味的角度，介绍石墨烯与拓扑学的关系。 “石墨烯”一词的原意，指的是具有单层原子结构的二维晶体。因此，本书前半部分的理论以及对这种新材料神奇性能和特点的解读，基本上都是针对理想结构的石墨烯而言。然而，现实中制备出来并得以应用的石墨烯材料，却远远有别于这种理想晶体。因此，在第七、第八讲中，也浅谈石墨烯的制备方法，并对得到的各种派生材料及其应用前景做了一些简短地概括和介绍。 书中实例丰富、解释通俗、表述流畅、寓意深刻，既宜浅阅也可深读，尽量做到满足各个教育水平层次的读者的阅读兴趣。本书涉猎的知识范围广泛，既有量子、拓扑一类的纯科学，又有与材料相关的工程技术。希望能将现代科学技术中的许多领域，包括物理学和数学中的一些基础理论以及多种应用技术，通过神奇的石墨烯而串联到一起。 张天蓉 2019年12月

2016年“中国好书”入围者、“2018年全国科普作品”获得者、知名科普作家张天蓉*力作。 有趣好玩的石墨烯发现之旅，专业科学的石墨烯讲解之道，认识神奇的石墨烯，就是这么简单！ 量子、晶格、能带、拓扑等，邀你一起探究神奇的石墨烯世界。