2015-7-29

石墨烯，一个原子层厚度的碳原子晶格，被合成为厘米级低密度海绵，来自南开大学陈永胜研究小组发表能够推进、悬浮和旋转新型的三维石墨烯超级结构，并推论可作为光驱动引来许多的批判。如今 Tengfei Zhang等人在自然光子学也发表已经证明另一种未来可应用的光驱动机制-光诱导电子发射（LIEE）驱动的宏观石墨烯材料的直接推动器，令人不禁好奇其中究竟有何奥妙之处。

以氧化石墨烯其表面有多种基团，包括羟基、环烷基及羧基等，其结构缺陷较多，导电率仅 1 S/m，Bandgap绝对很大，别说狄拉克点了，连结构都畸形成什么样了，哪可能这么容易打出这么多俄歇电子呢﹔但是形成三维结构海绵，在氩气 800 ℃高温下处理，不能去除其三维结构内部的残留基团或者杂质，却形成数量很大的微小带压气泡结构，此结构符合电镜下氧化石墨烯真实三维结构。在光照下，因为氧化石墨烯的高透明度，内部基团或者会生成水或者其他小分子而蒸发，而这些气体局限于一个微小的空间急剧升温可以达到 1000 ℃可以上，会产生极大压力，而去除了外表面基团的氧化石墨烯本身稳定性变差，光照能能量会诱发氧化石墨烯外表面的随机表面受压而破裂，也可能诱发基团的相互反应。蒸发的小分子从破裂处喷出，导致样品运动，这可以解释为何视频样品运动是脉冲式的。而且这也可以解释为何空气中效果变差，压力差变小了。论文图4e中的电子能量峰大约为 70 eV，这不是光电子，是激光等离子体相互作用产生的高能电子，有这种高能电子的存在，一定存在laser abalation，所以laser abalation和气体脱附效应不能排除。但这就不是光诱导电子发射了。

虽然这些发表论文的研究条件不够严谨，但石墨烯光诱导电子发射还是可行的。事实上，石墨烯的光电和光子的属性密切相关，原因在石墨烯独特的电子能带结构和热性能，其中，与金属和半导体相对比，在低电子能量下，电子导带和价带在两个锥形的电子带的汇合处接触。在一个单层的石墨烯中，这种圆锥形强烈的改变能量松弛的途径，因为电子的能量必须从两个圆锥接触的小点中穿过去。而无论是通过激光或日光激发之后，石墨烯内的高能电荷载体必须通过碰撞来放松自己的能量，创造或消灭其他基本准颗粒。在许多传统的光电子材料中，引入到材料松弛中的光能主要变成声子，产生热。然而，因为石墨烯中电子和声子的速度失配，以及因松弛形成的狭窄的锥形漏斗瓶颈，光能难以产生热量。相反地，热电子相互反弹，通过一个叫做俄歇复合的过程交换多余的能量。

半导体中，无论是直接复合、间接复合，还是激子复合，都会有动量和能量的吸收或释放，根据跃迁释放或者吸收能量和动量的形式，分为辐射跃迁、声子跃迁和俄歇跃迁。俄歇跃迁相应的复合过程可以称为俄歇复合。俄歇效应是三粒子效应，在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量，通过碰撞转移给另一个电子或者另一个空穴，造成该电子或者空穴跃迁的复合过程叫俄歇复合。这是一种非辐射复合，是“碰撞电离”的逆过程。这种复合不同于带间直接复合，也不同于通过复合中心的间接复合（Shockley-Hall-Read复合）。Auger复合是电子与空穴直接复合、而同时将能量交给另一个自由载流子的过程。

而实现这个效应也与石墨烯的特殊性能有着不可分离的关系。石墨烯具有特殊的 “能带结构”。材料的能带结构决定了多种特性，特别是它的电子学和光学性质。以绝缘体与半导体来说明此结构的作用需要考虑其 “禁带” 的大小。“禁带” 就像是一条河，河越宽，电子想要过河的难度就越大，反之，越容易。对于绝缘体，“禁带” 宽度较大，激发电子需要很多能量，因此激发电子的数目就十分少，以致所引起的导电作用在实际中可以忽略。对于半导体，“禁带” 宽度较小，激发电子的数目较多，就可以导电。而由于“迪拉克点”的存在，石墨烯的 “禁带” 趋近于 0，完美石墨烯的 “禁带” 则是 0，所以这就使得石墨烯具有了超高的导电性。在表述导热性方面，“禁带” 的作用仍然如此。也因此 “禁带” 宽度趋近于 0的石墨烯具有超高的导热性能。

关于石墨烯超级结构的光致推进和导致宏观动力的微观俄歇过程还有许多关键的问题没有解决。在原子的常规俄歇效应中，高能量的内部电子松弛成空置量子态，其特征是具有一个非常具体的能量。从这个松弛过程中释放的能量可以采取一个光子的形式，从而导致可测量的光发射或高能电子发射的电子。半导体中的俄歇过程是相似的，只是电子可具有宽的能量范围，并且通常不会获得足够的动能从材料射出。产生足以驱动物料的能量（大于2毫瓦），如果是光电效应产生推力，估计发射出的电子总量至少为 3x10^18个，石墨烯将带上 0.5库伦的正电，对电磁学有点概念的人都知道带这么多电荷是比较难的（如果光电子的动能为1eV，要获得所需的动量，所需的电子约 5x10^18，与之同一数量级）。2014年德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心 (HZDR)发表，在强磁场作用下，对石墨烯中电子的动力学研究有望促进新型宽带激光器的研究中，将石墨烯放置在 4特斯拉的磁场内，在磁场的作用下，迫使材料中的电子形成特定的能级 (该能级被称为朗道能级)，在石墨烯中发现电子通过俄歇散射被重新分配，激光泵浦了一些新电子进入朗道能级，然后这些朗道能级又以意想不到的方式逐渐被掏空，他们认为这是由电子间的碰撞导致的。

电子发射不是由于光电效应，而是强激光与物质或等离子体的相互作用。俄歇电子在固体中运行也同样要经历频繁的非弹性散射，能逸出固体表面的仅仅是表面几层原子所产生的俄歇电子，这些电子的能量大体上处于 10～500 eV，它们的平均自由程很短，大约为 5～20埃。要创造产生足以驱动物体的能量就要从石墨烯带更多电荷着手，但也出现了几个实际问题。材料在电子发射后会生成净正电荷吗，如果是的话，当材料的电子用完时发射过程最终停止吗？这些问题的答案将是未来应用的关键，并且悬浮和推进的进一步研究将加深对石墨烯的光电和光子属性的认识。