【編者按】?本文作者為諾貝爾物理學獎獲得者安德烈·海姆，譯者為科學網博主薛加民老師。如你也是學術圈內人士，或者對科學領域有專研興趣，可進入知社學術圈公號查看。

石墨烯教父：從千年博后到物理諾獎的心路歷程（上）

【引言】石墨烯是最堅硬并極具彈性的材料，其發現者安德烈·海姆 (Andre Geim) 也擁有同樣的屬性。臥薪嘗膽十幾年，腦洞大開萬千遍，正是其非同尋常的科研風格為我們帶來了可顛覆全球科技產業的一把鑰匙。這個曾以“飛翔的青蛙”榮獲搞笑諾貝爾獎的物理學家怎樣看待自己的研究生涯呢？請看石墨烯之父在獲得諾貝爾物理學獎后，親口講述他自己的故事。

注：以下為安德烈·海姆的自述

如果現在有人想要了解石墨烯的美麗的物理內涵，他們可以從許多相關的學術綜述，還有大眾科學雜志上的文章中選擇。在此我向讀者推薦自己寫的幾篇相關的文章[1-3]，希望大家能原諒我的“自賣自夸”。為了不重復這些文章的內容，在這次演講里，我決定給大家講一講我自己曲折的科研道路，以及這條路最終是如何通向諾貝爾獎的。這其中大部分的內容我從未在別的地方講述過。當然，各位可以放心，我不會從我的幼兒園時代開始講起。我將向您講述我從1987年獲得博士學位之后，直到2004年為我們贏得諾貝爾獎的文章被雜志接受這段時間內的故事。無疑，越接近尾聲這個故事會變得越豐富。反觀歷史，我還會詳細地描述2004年之前與石墨烯有關的研究工作，以及分析石墨烯為什么會引起這么多人的興趣。我會努力讓非物理專業的讀者也覺得接下來的內容易懂而且有意義。

石墨烯教父：從千年博后到物理諾獎的心路歷程（上）

不要做已死的研究

我的博士論文題目叫做“Investigation of mechanisms of transportrelaxation in metals by a helicon resonance method”。我只能說它是一個非常無趣的研究。在蘇聯的Instituteof Solid State Physics，我花了五年時間，發表了五篇論文來完成這個學位。學術網站Web of Science很嚴肅地告訴我，我的這些文章被引用過兩次，而且都是作者自己在引用。其實，在我的博士生歲月開始前十多年，這個研究方向就已經沒落了。即使如此，我還是從中學到了一些讓我受益終身的東西，那就是絕對不要讓你的學生研究那些已經死了很久的課題方向。

博士畢業以后，我在俄羅斯科學院下屬的Institue of Micro-electronics Technology找到了一份臨時工作，做一名普通的研究員。蘇聯當時的研究系統允許甚至鼓勵年輕的研究人員獨立開展研究工作。經過一年的摸索，嘗試不同的方向，我終于開始找到了合適自己的研究道路，從而與我的博士導師在學術上脫離了關系。

以當時蘇聯極其困難的實驗條件，我找到了一個可行而且新穎的實驗方向，雖然這聽起來是不太可能的事情。我用微細加工的裝置制備了金屬膜，在它上面沉積了一層薄薄的絕緣體，然后再沉積一層高溫超導體。超導體的作用是通過邁斯納效應把外加磁場約束到一個個渦旋里，對下面的金屬膜產生高度不均勻的磁場分布。金屬膜中的電子在這種空間上快速變化的磁場中（磁場在小于一個微米的范圍內就會發生很大的變化）的運動在當時是一個新的研究領域，我發表了這個領域中的第一篇實驗論文，之后Simon Bending也獨立地發表了類似的研究。這是一個有趣而且還比較重要的課題，在接下來的幾年里我都在研究這個方向，包括1991年我在Simon實驗室做博士后的階段。

這段經歷給了我一個很重要的體會，那就是創立一個新的研究方向總是比在一個已經僧多粥少的領域里尋找新的突破要容易取得成果。當一個全新的領域剛剛開始的時候，成功的幾率會大得多。當然，很多關于這個新領域的美好預期可能最終無法實現，但是在新的領域里做研究，總會有意想不到的現象產生。

別人的垃圾，我的金子

1990年，在我所在的研究所所長Vitaly Aristov的幫助下，我得到了英國皇家學會一段為期6個月的訪問機會。英國諾丁漢大學的Laurence Evaes和Peter Main邀請我訪問他們的實驗室。對于實驗工作而言，6個月是非常短暫的。受這個條件所限，我只能研究這些實驗室當時已有的一些樣品。先前的實驗人員留下了一些砷化鎵微米線，它們已經被廢棄在實驗室的角落里好幾年了。由于我曾經在資源稀缺的蘇聯學術界工作過，我能夠在相對惡劣的環境中開辟出一條道路來。這些被別人視作毫無用處的樣品成了我的金礦。我開始了每周100個小時的工作來研究它們。在這短短的6個月里，我做出了兩個后來發表在Physical Review Letters上的工作。后來我常常用這段經歷跟年輕的學生們開玩笑。當實驗不像預期的那樣進展順利，他們開始抱怨樣品不好導致發現不了新東西的時候，我就會跟他們說，“根本沒有差的樣品，只有差的學生/博士后”。仔細研究你總會發現一些新東西。當然最好還是投身新的研究領域，避免研究那些別人已經深入研究過的樣品。但是，即使我們足夠幸運，找到了一個像石墨烯一樣激動人心的研究領域，謹慎研究和堅持不懈的精神會讓人走得更遠。

在諾丁漢的研究是如此的高強度和激動人心，我決定不回俄羅斯了。在蘇聯混亂的社會中求生對我來說無異于浪費生命。于是，在我33歲，學術h因子等于1的時候，我開始在歐洲尋找博士后的職位。接下來的四年我在不同的大學之間輾轉，從英國的諾丁漢，到丹麥的哥本哈根，再到英國的巴斯，最后回到諾丁漢。每一份新的工作都教會我一兩個新的研究領域，這段經歷極大地擴展了我的科學視野。在那些年，我的主要研究方向是介觀物理，包括二維電子氣體，量子點接觸，共振隧穿，量子霍爾效應等等等等。我也熟悉了用分子束外延生長砷鋁化鎵異質結，提高了我在俄羅斯就開始學習的微細加工和電子束刻蝕的技術。所有的這些積累成為了十多年后石墨烯研究的堅實基礎。

“溫馨”的荷蘭生活

到1994年時，我已經發表了足夠多的優質的文章，參加了足夠多的學術會議。我希望能夠找到一個正式的學術工作。當我得到荷蘭的University of Nijmegen的一個副教授的職位時，我毫不猶豫地抓住了這個機會，結束了我“后蘇聯時代”各地流浪生活。到了Nijmegen的第一個任務無疑是樹立起自己的學術地位。但是當時我沒有任何的啟動經費，也沒有微細加工的設備來繼續我以前的研究工作。我擁有的是Nijmegen強磁場實驗室里的強磁場裝置，低溫以及電子設備。當時強磁場實驗室的主任是Jan Kees Maan。他也是我的“老板”，掌管了所有的實驗經費。

雖然當時我作為獨立研究員拿到了研究經費，但是我不能隨我的心愿來支配這些錢。錢都是通過由正教授領導的所謂“工作組”來分配的。另外，荷蘭的博士研究生只能由正教授指導，副教授只能靠自己單打獨斗。雖然這聽起來有些怪誕，但是這就是90年代荷蘭的研究體制。這樣的研究條件對我來說非常艱難。開始的一兩年，我掙扎著適應這種系統，它與我在諾丁漢所經歷的愉快而富有成效的研究歲月形成巨大的反差。而且令人奇怪的是，只是在大學里有如此森嚴的等級制度，走出大學圍墻，每個人對我都很好，包括強磁場實驗室的主任Jan Kees和其他研究人員。

即便如此，在Nijmegen的研究機會還是要比在俄羅斯好得多。最終依靠我的海外合作者的幫助，我還是在荷蘭的學術圈里立住了腳。諾丁漢的同事們（尤其是Mohamed Henini）生長了二維電子氣體的晶體，之后它們被送到俄羅斯，我從80年代就開始的同事和好友Sergey Dubono把它們微細加工成我需要的器件。我當時的研究課題可以被稱作“介觀超導”。Sergey和我用二維電子氣體加工出微米尺寸的霍爾器件，然后用它來探測很小的超導體周圍的局部磁場。這種方法不僅可以測量到單個磁場渦旋進入和離開超導體，還能測量許多其他非常微弱的變化。

依靠彈道輸運下的霍爾微磁測量技術，我們發展了這種新的實驗方向。在接下來的幾年里，我們在這個領域充分地展開研究，最終在Nature，Physical Review Letters等刊物上發表關于順磁邁斯納效應，具有分數個磁通量子的渦旋，在約束空間中的磁場渦旋分布等等的研究結果。

我的妻子Irina Grigorieva是磁場渦旋方面的專家。她在荷蘭找不到工作，所以她有足夠多的時間來幫助我的研究和撰寫論文。而Sergey不僅僅幫我加工器件，同時也常常來到Nijmegen來幫我實驗測量。我們形成了一種非常高效的合作模式，他負責采集數據，我則在旁邊房間里的電腦上分析數據，決定實驗的下一步。

磁懸浮的魅力

關于介觀超導研究的第一個結果大概在1996年的時候開始成形，這讓我在荷蘭的研究系統里找到了一絲安全感，同時我也開始擴展我的研究方向。我廣泛地調研，試圖找到新的研究方向。在Nijmegen最主要的實驗優勢是強大的電磁鐵，但是同時它們也是讓我頭痛的地方。雖然這些磁鐵能夠產生20特斯拉的磁場，比我們的很多競爭者所擁有的超導磁場要稍微強一點（那些超導磁場大約為16到18特斯拉），但是這些龐然大物運轉起來極其費電，我們只能每天晚上當電價便宜的時候用幾個小時。

我當時在介觀超導方面的研究僅僅需要非常微弱的磁場（小于0.01特斯拉），所以我用不到這些電磁鐵。這讓我這個強磁場實驗室的研究員感到一些愧疚，我感到有責任找到一些可以利用到這些強大的電磁鐵的研究課題來。我意識到相比其他的超導磁鐵，這些電磁鐵的唯一明顯優勢就是它可以在室溫下工作，不需要像其他超導磁鐵一樣冷卻到液氦的溫度。然而，這在一般人看來并不是什么優勢，因為大部分的凝聚態實驗都需要極低溫的環境。這使得我和同事們開始思考什么強磁場下的現象可以在室溫里研究。不幸的是，我們似乎根本沒有什么選擇。

終于，我無意中了解到了一個所謂“磁化水”的現象。

據稱，把一塊永久磁鐵放在熱水龍頭上可以防止水垢在水管里的形成。或者把一塊磁鐵放在水龍頭上，你的水壺里將不會形成一層厚厚的沉積物。這些磁鐵隨處可見，很容易買到。網絡上有數以百計的文章介紹這種現象，但是其背后的物理原理卻不明了，甚至還有很多研究人員根本不相信這種現象的存在。在過去的15年里，我曾嘗試過幾次要研究這種“磁化水”現象，都無果而終，我至今也不能給出一個解釋。但是，當時實驗室里室溫下的強磁場讓我橫向聯想到了磁化水的實驗。我想，如果磁化水效應真的存在，那么20特斯拉的強磁場應該產生比0.1特斯拉的普通永久磁鐵明顯得多的效應。

有了這個想法，在某一個星期五的晚上，我把一點水倒進了我們實驗室正在產生巨大磁場的儀器里。往實驗儀器里潑水很顯然不是一個正規的實驗操作，現在我也記不起來當時我為什么會干出如此“不專業”的事情來。很顯然，沒有人曾經嘗試過做這樣傻的事情，雖然這種類似的儀器在世界上幾個實驗室里已經存在了幾十年了。讓我極為驚訝的是，水并沒有從強磁鐵中流出來，而是滯留在了磁鐵的中心。來自諾丁漢的訪問學生Humberto Carmona和我玩了一個多小時，我們用一根木棍攪動滯留在磁鐵中心的水，并改變磁場的強度，最終，我們看到了如圖1所示的驚人現象，一個水球懸浮在了空中！

這太神奇了！我們很快意識到這個現象背后的物理是我們熟悉的逆磁性。但是我花了很長時間才讓我相信水的這么微弱的逆磁效應（在外加磁場強度為B的時候，水能產生0.00001*B的磁場來抵抗它），比鐵的磁性要弱十億倍，居然可以抵抗水的重力。我的許多同事，包括那些一輩子與強磁場打交道的研究員，看到這個現象時都目瞪口呆，甚至還有一些人認為這是一個惡作劇。

接下來的幾個月，我都在給我的同事們和訪問者演示這個實驗，同時設法為這個美麗的現象找到一個更為吸引普通大眾的演示方式。在我們嘗試過懸浮的眾多物體中，圖1的懸浮青蛙引起了媒體的廣泛關注。更重要的是，在熱鬧的媒體報道背后，這張圖片甚至進入了許多物理教科書。雖然它有些怪誕，但是這個實驗讓人們重新審視逆磁效應，我們不再認為它是一種微不足道的性質了。有時候我出去參加學術會議的時候，會有人攔住我說：“我認識你！不過抱歉不是因為石墨烯，而是因為我在物理課上展示過你的懸浮青蛙。學生們總是很好奇這只青蛙為什么能飛翔?！庇嘘P這只青蛙的故事，以及有關逆磁懸浮的穩定性的深邃物理學，大家可以參考我在PhysicsToday上寫的一篇文章[11]。

石墨烯教父：從千年博后到物理諾獎的心路歷程（上）

圖1：在Nijmegen的懸浮時刻。左圖——直徑大約5厘米的水球自由地懸浮在磁鐵中心。右圖——學會了飛翔的青蛙。這張圖片象征著“非磁性”物質，包括人，的磁性并非可以忽略的。這個實驗為著名理論物理學家Michael Berry和我贏得了2001年的搞笑諾貝爾獎。起初，頒獎方詢問我們是否有膽量來接受這個獎，我們答應了。我為我們的幽默感和自嘲的勇氣而感到驕傲。

星期五晚的實驗

磁懸浮的實驗是如此的有趣，甚至讓人上了癮。它給我上了重要的一課，那就是嘗試那些和我的專業領域八竿子打不著的研究方向有可能會產生非常有趣的結果，即使最初的想法可能是極其簡單的。這段經歷影響了我的研究風格。從那以后，我開始做一些不合常規的實驗嘗試，并且無端地稱它們為“星期五晚的實驗”。當然這個名字并不準確，因為沒有什么深入的研究工作可以在一個晚上完成。

實際上，它需要好幾個月的橫向思考，毫無明確目的地查閱不相關的文獻。最終，你會找到一種感覺——注意是感覺而不是想法——你會感覺到什么問題研究一下可能會很有趣。接著，你開始嘗試實驗。通常的結果是失敗。然后你有可能繼續試一試或者放棄。不管怎樣，在某個時刻你都必須做出一個艱難的決定，究竟是繼續投入精力，還是放棄嘗試，開始研究別的問題。所有的這些都是在你的主要研究活動之余進行的，它們只需要占用你的一點點時間和一點點思考。

從我在Nijmegen工作的時候開始，我就用這種橫向思考來設計本科生和研究生的課題了。學生們對于這種研究方式總是感到很興奮。1999年到Nijmegen來讀博士學位的Kostya Novoselov（譯者注：Novoselov與Geim分享了2010年諾貝爾獎）參與了很多這樣的實驗。為了不影響學生們的正常學習和畢業，這些研究通常耗時不會超過幾個月。雖然隨著每一次的失敗漸成事實，起初的熱情都會慢慢消退，但是有一些學生后來告訴我說這些廣泛探索的研究經歷是他們人生中的無價之寶。

最令人驚奇的是，有的時候失敗并未如期而至。壁虎膠帶（Gecko tape）就是這樣的一個例子。一個偶然的機會，我讀到一篇文章描述了壁虎超強的攀爬能力背后的原理[12]。

其中的物理是很簡單的。壁虎的腳趾上覆蓋著許多微細的絨毛，每一根絨毛能夠和它要攀爬的表面產生微弱的范德瓦爾斯力（10的負九次方牛頓量級），但是億萬根這樣的絨毛就足以產生巨大的吸引力，從而可以使得壁虎爬上任何物體表面，甚至玻璃的天花板。尤其引起我注意的是這種絨毛的尺寸，它們在微米量級，這正是我所研究的介觀物理所在的尺度范圍。

當這個現象在我的腦海里時隱時現了一年多之后，Segey Dubonos和我設計出了一種能夠模擬壁虎腳趾上絨毛的材料。Segey加工出了大概一平方厘米大小的這種材料，它表現出了比較明顯的黏附力[13]。不幸的是，這種人造的材料比不上壁虎的腳趾，經過幾次粘貼和分離之后，它的黏附力就完全消失了。但是，這仍不失為一個重要的驗證性實驗，它啟發了其他人在這個領域中的深入研究。我們希望某一天人們能夠復制出像壁虎腳趾那樣的結構和具有自我清潔功能的膠帶。這樣這項研究就可以轉化成產品了。

Better to be wrong than boring

在我準備這個演講的時候，我總結了一個我們曾經嘗試過的“星期五晚實驗”的列表。直到那個時候我才意識到一個令人驚訝的事實。在大約15年的時間里我們一共做了二三十個這樣的實驗，可以想見，大部分的都徹底失敗了。但是有三個成功者：磁懸浮，壁虎膠帶以及石墨烯。這意味著一個極高的成功率：超過了10%！除此之外，還有幾次與成功擦肩而過。

比如，我曾讀到一篇文章[14]關于FeGeSeAs合金中的巨逆磁效應，這意味著這種材料可能會出現高溫超導狀態。我找同事Lamarches要了這種樣品，Kostya Novesolov 和我用彈道輸運霍爾磁測量技術來檢驗這種巨逆磁效應，但是失敗了。即使冷卻到1K也沒有發現這種巨逆磁效應。這次嘗試發生在2003年，遠早于后來引發巨大關注的鐵基超導體的發現。至今我還在尋思當時我們的樣品中是否有很小的一部分轉變成了超導體，只不過被我們忽略了。

另外一次這樣的錯失良機是我們試圖測量單個活體細胞的“心跳”。實驗的想法是用二維電子氣體的霍爾器件來作為高精度的電壓計，用以測量活體細胞中的生物電信號。我們實驗的結果是，當細胞活著的時候我們的裝置測量不到任何“心跳”，但是當我們用大量酒精導致細胞凋亡的時候，我們可以觀察到巨大的電壓脈沖[15]?，F在我明白了當時之所以探測不到活體細胞的心跳是因為我們選錯了細胞。我們選的是酵母菌，這是一種比較木納的細胞。在我們的實驗之后過了四年，其他的研究組選用胚胎心臟細胞在石墨烯上取得了成功[16]。

老實說，我并不認為如此高的成功率是因為我特別擅長于的橫向思考。更確切地說是，它告訴我們——

試探（有的時候甚至是漫無目標的試探）新的研究方向比一般人預期的回報率要高。

我們很有可能在某一個已有的礦藏里挖掘得太深了，留下了大量未被探尋過的寶藏就埋藏在淺淺的地表下，只要稍微往旁邊一試探我們就會發現它。當一個人有嘗試的勇氣時，雖然并不是一定總是有所回報，但是至少這是一次探險的經歷。

曼徹斯特的生活

到2000年，我的名下有了介觀超導和磁懸浮的研究工作以及四篇發表在Nature上的論文，申請正教授的條件成熟了。當我的同事們得知我最終選擇了曼徹斯特大學而拒絕了其他一些看起來更加著名的大學時都感到非常驚訝。其實其中的原因很簡單。曼徹斯特大學教授招聘委員會的主任Mike Moore知道我的妻子Irina并不僅僅是我的實驗助手和Nijmegen的兼職物理教員，他還知道她曾經在Bristol大學的博士后期間做得非常成功。所以他建議Irina申請曼徹斯特大學的一個教職。在荷蘭的六年里，我從沒有奢望過我們夫妻可以在同一個學校都有正式的職位。這就是讓我們決定去曼徹斯特大學的原因。我們不僅感激這個可以同時解決我們兩人工作問題的機會，而且也為未來的同事對我們的關心而感動。我們從來沒有后悔過做出這個決定。

于是，2001年初，在曼徹斯特大學我分到了幾間年久失修，裝滿老儀器的房子，還有10萬英鎊的啟動經費。大學里沒有共享的大型實驗平臺，除了一臺氦氣液化機。這對我來說不成問題。我繼續了在Nijmegen時的工作模式，借助別的合作者，尤其是Seregey Dubonos的幫助來開展工作。實驗室以令人驚訝的速度成形了。半年之內，我拿到了我的第一筆50萬英鎊的研究經費。我用它買了一些必須的設備。雖然我們一歲的女兒占據了妻子很多時間和精力，她也在幾個月后申請到了她的啟動經費。我們邀請Kostya Novesolov以Research Fellow的身份加入我們的實驗室（同時他還是作為研究生掛靠在Nijmegen，在2004年他從Nijmegen獲得博士學位）。我們實驗室的研究開始產生成果，這為我們贏得更多的資助，從而導致更多的成果。

到2003年，我們已經發表了幾篇優質的論文，包括在Nature，Nature Materials和Physical Review Letters上，同時我們也不斷地為實驗室增添新的儀器。另外，我們拿到了一個一百四十萬英鎊的資助（由時任科技部長的David Sainsbury倡導的研究基礎設施計劃提供），計算機系的Ernie Hill和我建立起了曼徹斯特介觀和納米技術中心。我們并沒有用這筆意外之財來建房子，相反，我們利用了計算機系已有的一個250平米的超凈間。我們搬走里面一些老舊的儀器，取而代之的是一些最先進的微細加工設備，包括一臺新的電子束刻蝕系統。對于這個中心，Ernie和我最感到驕傲的是世界上許多其他類似的中心擁有更為昂貴的儀器，但是我們的中心從2003年起，就持續產出新的器件結構。我們擁有的并不是一匹用來展示的駿馬，而是一匹埋頭苦干的馱馬。

每當我向其他國家的同事描述我的這段經歷時，他們都覺得在三年之內，憑借并非天文數字的啟動經費就可以建立起一個完整的實驗室和微細加工中心實在是難以置信。如果我不是親歷者我也不會相信。一切進展都非常順利。大學很支持我們的工作，但是我最要感謝的是英國工程和物理科學研究委員會（EPSRC）非常負責的工作模式。這個資助機構民主而且不排外，你在學術界里的地位以及人脈關系基本上不會產生任何影響。另外，在同行評議的過程中，也不會要求你的研究項目要有所謂的“前瞻性的想法”和“對社會與經濟需求的巨大應用前景”。事實上，這個機構是基于申請者最近一段時間在其領域的研究成果而分配經費的。那些工作得勤奮而且有效的研究者一般會獲得資助。當然，沒有哪一個資金分配體系是完美的。我們總在期望更好的體系。

但是，讓我改用丘吉爾的一句名言， “除了我所知道的世界上別的國家以外，英國的研究資助體系是最糟糕的”。

三朵思想的云

當我們的實驗室和納米中心慢慢成形的時候，我開始有一些空閑的時間來考慮新的“星期五晚實驗”。壁虎膠帶的成功和那幾個關于酵母菌和“準鐵基超導體”的失敗就是發生在那段時間。一位來自俄羅斯研究所的高級研究員，我們實驗室的?？鸵约皩氋F的合作者，Serge Morozov，把他的前兩次訪問浪費在了研究“磁化水”的課題上。2002年秋，我迎來了我們在曼徹斯特的第一位研究生，姜達。我需要給他設計一個博士課題。顯然，在開始的幾個月里，他要花時間提高英語，熟悉實驗室的環境。對于一個初學者，我給他建議了一個我橫向思考的課題，那就是把石墨加工成盡可能薄的薄膜，如果做成了，我答應他我們將測量它的“介觀”性質。近來，當我試圖回想起當時這個想法是怎么產生的時，我記得有三朵非常不成形的“思想的云朵”。

第一朵云是所謂“金屬電子學”的概念。

如果給金屬一個外加電場，金屬表面的電子數目會改變，從而可以預見它的表面性質也會改變。這正是現代半導體電子器件工作的原理。為什么不用金屬代替半導體硅呢？當我還是本科生的時候，我嘗試過給金屬加電場，用X射線來探測金屬表面晶格常數的變化。這個想法是很天真的，因為通過簡單的數量級估計我們就能知道這種變化是極其微小的。沒有哪一種電介質可以承受高于1V/nm的電場強度，如果換算成電荷密度的話，相當金屬表面電荷密度的改變不能超過每平方厘米10的14次方個電子（譯者注：我用高斯定理計算了一下，似乎應為每平方厘米10的13次方個電子）。

作為比較，一個普通的金屬，比如金，在中性狀態下每立方厘米包含有~10的23次方個電子。即使對于一個納米厚的金薄膜，在其上增加或減少每平方厘米10的14次方個電子只能改變其電子密度的1%，從而電導率改變1%（譯者注：我檢查了一下，似乎應為千分之一或者萬分之一），更不用說其晶格常數更為微小的變化了。

歷史上曾有許多研究人員試圖測量這種電場對于金屬的作用。最早這個想法要追溯到1902年，在電子剛剛被發現之后，J.J.Thomson（電子發現者，1906年諾貝爾物理學獎得主）就曾建議Charles Mott（著名理論物理學家Nevill Mott之父，Nevill Mott獲得1977年諾貝爾獎）去尋找金屬薄膜中的電場效應，但是沒有找到[17]?？茖W文獻中最早關于金屬中的電場效應的記載出現在1906年[18]。如果不用普通的金屬，我們也可以考慮采用電子密度低得多的半金屬，比如鉍，石墨或者銻（譯者注：有趣的是，這三者為逆磁性最強的三種材料，除了超導體以外）。

在過去的一個世紀里，人們嘗試過探尋鉍薄膜中（電子密度為10的18次方每立方厘米）的電場效應，但是只觀察到了它隨著外加電場非常微弱的電導變化[19，20]。因為對這個研究方向有所了解，加之有生長砷鋁化鎵異質結的經驗，我時不時會思考一下用別的材料來做探尋這種效應，尤其是用超薄的超導體，當它在普通導體/超導體轉變零界點時，它的電場效應會被放大[21，22]。在Nijmegen，我還曾一度被分子束外延的方法在砷鋁化鎵表面生長的鋁薄膜點燃熱情，但是經過一些數量級的估計之后，我覺得成功的幾率太小，根本不值一試。

在1990年到2000年左右，碳納米管是另外一朵懸掛在我腦海中的云。

那一段時間是碳納米管的研究最為熱門的時候。當時在荷蘭，我有機會參加了Cees Dekker和Lee Kouwenhoven的報告，也讀過Thomas Ebbesen, Paul McEuen, Sumio Iijima, Pheadn Avouris等人的論文（譯者注：此幾位皆為碳納米管方面最為著名的大人物）。他們所展示的那些非常漂亮的研究成果每每都吸引我想進入這個研究領域。但是當時進入已經太遲了，我想找到別的研究方向，避開那擁擠的碳納米管研究大軍。

第三朵云是我讀到一篇Millie Dresselhaus寫的關于在石墨的層與層之間插入其他物質的綜述性文章[23]。

文中清楚地指出，即使經過多年的研究，我們對石墨依然知之甚少，尤其是其電子學性質。這篇影響深遠的文章促使我深入地調研了石墨方面的文獻。我讀到了Pablo Esquinazi和Yakov Kopelevich的文章，他們報導了鐵磁性，超導性和金屬-絕緣體轉變，這些都發生在我們的老朋友石墨身上，而且是在室溫下[24，25]。那些撩人心弦的文章給我留下了深刻的印象，我感覺到石墨非常值得深入研究一下。

這三朵思想的云（或許還有其他我無法回想起來的因素）通過某種莫名的方式融合在了一起，形成了我給姜達的研究課題。我估摸著如果我們能成功地做成石墨薄膜，而不是鉍薄膜，那么它們有可能展現一些類似于碳納米管的有趣電子學性質。為什么不在這個方向試探幾個月呢？我想。

膠帶傳奇

為了制作石墨薄膜，我給了姜達一塊厚約幾毫米，直徑一寸的人造石墨，并建議他用一臺拋光機來打磨它。我們有一臺很高級的拋光機，可以磨到零點幾個微米的平整度。幾個月后，姜達給了我一個玻璃盒子，底部躺著一塊小小的石墨片。他說這已經是他用拋光機能做到的薄膜的極限了。我用光學顯微鏡觀察了一下，通過聚焦在它的頂部和底部，我估計它大約有10微米厚。我覺得這太厚了，于是建議姜達用更精細的拋光液。但是為了得到這一小塊石墨片，他已經用盡了整塊我給他的石墨。這其實要歸咎于我。我給他的是高密度的石墨而非高度層狀的人造石墨（HOPG），前者比較不容易解離成片狀的材料。另外，當時他還是一個剛剛來英國的留學生，還有一些語言上的障礙。幾年之后姜達成功地完成了他的博士學位。

我們旁邊實驗室有一位來自烏克蘭的高級研究員Oleg Shklyarevskii，他常常跟我閑聊，聽我開玩笑。我跟他講我們正在做的事情是要把一座山磨成一顆沙。Oleg是STM（掃描隧道顯微鏡）方面的專家，當時他正在參與我的一個“星期五晚的實驗”（后來失敗了）。他聽到這話后，從他的實驗室拿來了一根粘著石墨片的膠帶。據說這是他從一個垃圾桶里翻出來的。 事實上高度層狀石墨（HOPG）是一種常用的STM基準樣品。實驗前，他們都會用膠帶把石墨表層撕掉，從而露出一個干凈新鮮的表面來供STM掃描。人們一直在用這種方法制備STM的石墨樣品，但是從來沒有人仔細看過扔掉的膠帶上有些什么東西。我把Oleg的膠帶放在顯微鏡底下（見圖2A），發現有一些碎片遠比姜達給我的那塊要薄。直到那個時候我才意識到用拋光機是一個多么愚蠢的建議。 拋光已死，膠帶萬歲！

我們的實驗從這之后開始變得有希望了，但是這還不是真正的突破，我們需要更多的人力投入研究。Oleg當時忙于他自己的實驗，不想參與進來，但是Kostya Novesolov自愿加入了。“自愿”可能不是一個準確的詞，因為我們實驗室鼓勵成員選擇加入他們感興趣的任何研究項目。那個時候Novesolov手頭已經有一個進展非常順利的關于鐵磁體的研究項目[26]。他也是我們實驗室的“管家”，有什么儀器壞了都是他負責修理。而我呢，那個時候每天都會花幾個小時在實驗室制備樣品，測量和分析數據。到了2006年之后我才變成一個寫文章的機器和專門的數據分析員。我喜歡分析數據，但是極為討厭寫文章。不幸的是，沒有一個寫論文的“作家”，一個實驗室是無法運作的。

圖2：回過頭來看，石墨薄膜其實很容易得到。A: 殘留在膠帶上的高度層狀石墨晶體（HOPG）。B：在光學顯微鏡或者放大鏡下，膠帶上的石墨片有一些是透明的。C：如果轉移到一個二氧化硅的表面，透明的石墨薄膜呈現出不同深淺的藍色。D：我們的第一個簡陋的樣品，用鑷子，牙簽，銀膠做成的。

Novesolov和我決定測量一些膠帶上的石墨片的電學性質。于是他開始用鑷子把石墨片從膠帶上撕下來，轉移到玻璃片表面。因為這個研究的出發點之一是想測量石墨片在外加電場下性質的變化，所以幾天之后我找來了一些表面氧化的硅晶圓，這樣我們就可以通過給硅加電壓來影響它表面的石墨。這給我們帶來了意外的收獲，一些石墨片在這種晶圓表面呈現出不同的顏色來，這表明它們非常薄，以至于可以讓光透過，藉由光的薄膜干涉而形成顏色。另外，通過這些顏色我們也可以非常直觀地判斷石墨片的厚度（見圖2C）。我們很快就發現其中有一些石墨片只有幾個納米厚。這就是我們第一個真正的突破。

歡呼時刻

一般的石墨烯文獻，尤其是大眾科學雜志往往強調我們是如何用膠帶撕出石墨烯這件事，但是對我而言，這雖然是重要的一步，但是還不是我們Eureka時刻（譯者注：Eureka指發現或找到某種東西時發出的歡呼）。我們的目標并不只是找到一些薄膜而已，而是要發現它們所蘊含的一些激動人心的物理規律。

在Oleg促使我們使用膠帶制作石墨薄膜的幾天之后，Novesolov就已經開始用導電的銀膠給石墨薄膜制作電極了。讓我們驚訝的是，它們導電性非常好，即便是這些用銀膠做成的電極與石墨薄膜的接觸電阻都很小。我們可以進一步測量它的其他電學性質，但是我們覺得這么一個難看的樣品（見圖2D）還不值得用低溫裝置真刀真槍地測量。

于是我們就在室溫下給玻璃或硅襯底加電壓來看它的電場效應。圖2D展示了我們做的第一批樣品中的一個。中間部分是大約20納米厚的石墨薄膜，它的寬度大約和人的頭發直徑差不多。要知道，用鑷子把這么小的一塊石墨片從膠帶轉移到硅晶圓表面，并用牙簽把導電銀膠涂到石墨周圍來制作這四個電極需要多么高超的實驗技能（譯者注：當年譯者在實驗室里也專門負責做這個工作）。如今已經沒有多少研究人員的手指靈巧到可以做出這樣的樣品了。不信的話，讀者可以親自嘗試一下！

第一個手工制作的放在玻璃表面的樣品表現出了明顯的電場效應，它的電阻可以通過外加電場改變幾個百分點。這聽起來可能微不足道，但是對比一下此前要測量到一點點的電場效應都有多難，我感到非常震驚。

這個比較厚的石墨薄膜由手工制作的丑陋樣品都表現出了一些電場效應，那么如果我們用最薄的石墨薄膜，采用全套的微細加工技術做出來的樣品會出現什么結果呢？

當時我的腦海里咯噔一下，我意識到我們發現了一些極為激動人心的東西。這才是我的Eureka時刻。

從這之后的研究就不再是隨機的嘗試了。我們不斷提高制作更薄的薄膜的方法，加工出越來越好的器件。這個過程在外人看來是非常艱苦漫長的，但是我們覺得進展出奇的快。幾個月以后，我們就學會了如何用光學顯微鏡和原子力顯微鏡來找尋單層石墨。我們開始使用電子束刻蝕的方法在石墨薄膜上制作出正規的霍爾器件，并用金屬蒸鍍機制作電極，不再用銀膠手工涂上去了。微細加工的工作由Dubonos負責，由他的研究生Anatoly Firsov幫忙。最初他們用俄羅斯的儀器，后來，在我們新的博士后張遠（音）完全熟悉了我們自己的納米中心里的刻蝕系統之后，這個工作就大大加速了。

從多層石墨到單層石墨，從手工制作到儀器加工理論上是簡單的，但絕非易事。我們走了許多彎路，在很多行不通的想法上浪費了很多精力。比如我們某一個研究經費資助的項目就是想在大塊的石墨晶體上刻蝕出霍爾器件來，這樣通過膠帶撕開，轉移到硅表面之后就形成了做好的霍爾器件。事實證明我們設想得太美好了。之后我們還是只能用那些沒有被刻蝕過的大塊石墨。另外一個例子是我們起初認為硅晶圓表面的氧化層的厚度必須十分精確（幾個納米之內），否則就無法分別出轉移到其表面的石墨烯。但是如今我們基本上可以在任何厚度的氧化層上找到石墨烯，它的尺寸也由最開始的幾個微米到現在了毫米量級，只要采用合適的方法和石墨來源。

2004年我們在Science上發表的文章的主要內容是電學測量，這需要大量的工作。幾個月的時間里，Novesolov和Serge Morozov都在全天候地測量。我也在實驗室討論，分析原始數據，常常是數據剛出現在電腦屏幕上就開始分析。我們給負責微細加工的同事即時的回饋，以便制作更好的樣品。因為我們面對的是一個全新的研究對象，沒有人知道會有什么現象發生，所以這些早期的實驗我們必須非常謹慎。某一條實驗曲線如果不能在多個樣品上重復實現的話，我們就會棄之不用，以免導致任何錯誤的結論。我們一共實驗了50多個非常薄的石墨樣品。這相當于是幾年的辛勤工作被壓縮到了幾個月里。但是隨著新的樣品越來越好，我們總是充滿激情，甚至可以每天工作14個小時，沒有周末節假日。

終于，在2003年底的時候，我們形成了一個清晰的物理圖像，可以發表了。從那個時候到2004年9月我們的論文被接受還有一個長長的間隔。那九個月的時間花在了試圖讓這篇文章被頂級雜志接受的工作上。我們不斷地增加數據，修改文章的表達方式。我的妻子Irina在這個極為費時的過程中給予了寶貴的幫助，其中的艱辛可能只有那些曾在這種最頂級的雜志上發表過文章的讀者才能體會。起初，我們把文章投到Nature。第一次審稿被拒。我們修改了文章再次提交后，又被拒。有一個審稿人說，我們的文章“沒有產生足夠的對科學的推動”。Science的審稿人更加仁慈一些（或者更加知識淵博？），我們的文章也改的更好了?；剡^頭來看，我當時應該把文章投向一個檔次略低的雜志，就可以不用那么勞心費時，雖然我們認為我們的工作是突破性的。 讀者朋友如果有人最近投Science或Nature被拒了的話，也不要灰心，你們的文章也有可能是值得獲諾貝爾獎的！

[譯者注：此處省略一段關于石墨烯比較專業的討論]

科研的idea

科學文獻上充斥了非常漂亮但是無法實現的想法。通過查找文獻來尋求這些想法是非常不好的做法。在一個研究開始的時候，閱讀幾篇比較好的綜述性的文章是有必要的，這樣可以避免重復別人的工作。但是如果花太多的時間搜索文獻是有百害而無一益的。我見到過許多非常有希望的年輕研究人員最終沒能發掘出他們的潛力，就是因為他們把時間都浪費在了搜索文獻上，而不是花在搜尋新的現象上。

幾個月的文獻搜索之后，他們總會不可避免地得到同一個結論：那就是所有他們想要做的事情別人都做過了。于是他們覺得沒有什么必要嘗試自己的那些想法，結果呢，他們又開始了新一輪的論文搜索。不論如何美妙的想法，它都是基于以前的知識積累。

世界上聰明的人那么多，很有可能某人在某地就曾經有過和你的類似的想法。但是這不能作為不嘗試自己想法的一個借口。因為每個人所處的環境不同，所用的設備也隨時間變化。新的技術的發展使得一些曾經是失敗的想法在下一次嘗試的時候可能會意想不到地成功。

在2002-2003年間，我的那些思想的云朵甚至都不能稱為美妙的想法，但是它們也足以開啟石墨烯這樣的研究項目。它們還指引了前進的方向，幫我們從紛繁的頭緒中找到出路。在我們大概了解了這個新的研究領域，尤其是當我們整理結果準備發表的時候，我們才進行有需求的文獻調研。除了那些與我思想的云朵相關的文獻外，我們還引用了一些文獻，有關二維材料制備的困難，它們的熱不穩定性，分子束外延生長中觀察到的納米卷和納米紙等等。這一些文獻是為了顯示出我們的實驗的重要性。直到2007年我寫綜述文章[1]時才對前人的文獻做了一個全面的調研。從那時起每當一個有歷史意義的論文出現時，我就會更新一下我的會議報告文檔。這是一個我能為現在正在書寫的歷史添上幾筆的機會。另外我最近寫的一篇關于石墨烯發展歷史的綜述[39]，得到了許多研究人員的回應，我要感謝他們在早期的許多想法和貢獻。

[ 譯者注：以下五段為討論石墨烯一些比較專業的內容和最后致謝，故略去。對石墨烯尤其感興趣的讀者請參考原文]

（曾為石墨烯的發現做出貢獻的中國人）

轉自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_4765daaf0102x05c.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【学术】推荐给从事科研的青年人——石墨烯教父：从千年博后到物理诺奖的心路历程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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