从一块石墨烯，看见基础研究的“向上生长”

一种科学家寻找多年、却只能“碰运气”获得的石墨烯结构，如今终于可以被“培育”出来了。

长期以来，如何稳定获得菱方堆垛石墨烯，一直是这一领域面临的材料制备难题。这种特殊结构具有丰富的量子物理性质，却因为自身处于亚稳态，极易转变成更加稳定的常规堆垛结构。过去，研究人员往往只能通过机械剥离，从大量石墨烯薄片中“随缘”寻找少量样品，大面积、高纯度、可重复制备始终难以实现。

2026年，北京大学物理学院教授刘开辉、研究员卢晓波、特聘副研究员张志斌联合多家合作单位，创新提出“台阶几何引导外延”策略，首次实现了大面积、高纯度菱方堆垛石墨烯的可控制备，样品纯度超过99%，最大尺寸达到160微米×80微米。相关成果于今年7月发表于《科学》。

让菱方堆垛石墨烯从“偶然发现”到“主动生长”，看似只是材料制备方法的一次突破，背后却是刘开辉团队10余年围绕该领域持续探索的结果。

为石墨烯“搭台阶”

要理解如何给石墨烯“搭台阶”，还要先从石墨烯不同寻常的“叠法”说起。

据了解，石墨烯是由单层碳原子排列形成的蜂窝状二维材料。单独看各层，它们的组成完全一样；但当一层层石墨烯叠在一起时，相邻原子层之间只要稍微错开一些位置，整个材料的电子结构和物理性质就可能随之改变。

北大物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长、博雅特聘教授刘开辉在接受中青报·中青网记者采访时介绍，早在1924年，科学家J.D.Bernal就解析出了AB堆垛石墨烯结构。“简单来说，第一层记作A，第二层向一侧错开形成B，第三层又回到与第一层相同的位置，于是一层层形成ABAB的堆垛。”此后百余年，人们对石墨及多层石墨烯性质的认识，很大程度上都建立在这一常规结构上。

而菱方堆垛则是每一层都继续沿同一个方向滑移，形成类似“台阶”的ABC三层循环结构。排列上的细微变化，却能让整个材料呈现出完全不同的性质。刘开辉介绍，菱方堆垛石墨烯会产生特殊的平带电子结构，并为研究超导、量子反常霍尔效应、莫特绝缘态等新奇量子现象提供重要材料平台。

但与此同时，菱方堆垛石墨烯的能量比常规AB堆垛更高，也导致其更加不稳定。“菱方堆垛属于亚稳态，一旦受到外界扰动，就可能向能量更低、更稳定的AB堆垛‘滑回去’。”北京大学物理学院特聘副研究员张志斌解释。

这也是为什么过去科学家很难直接让它“长出来”。张志斌表示，机械剥离一度是获取这种材料最常见的办法：反复剥离石墨，再从大量微小薄片中寻找少数恰好呈现菱方堆垛的样品。通过这种方式获得目标结构的概率不足1%；而已有直接生长方法获得的材料，又容易出现不同堆垛结构混杂，真正的菱方区域往往只有几十至几百纳米宽，很难满足进一步器件研究的需要。

围绕这个痛点，团队成功设计出“台阶几何引导外延”策略：利用蓝宝石在高温退火后形成的纳米尺度台阶，让用于生长的铜镍单晶衬底复刻这种几何形貌。当碳原子在衬底上逐层生长时，预先设计好的台阶边界就像给它规定了一条“行进路线”，使后续原子层沿着同一方向连续滑移。

团队由此实现了大面积、高纯度菱方堆垛石墨烯的可控制备，样品纯度超过99%，最大尺寸达到160微米×80微米，厚度也能够调节。一个过去需要从大量碎片中“碰运气”寻找的稀有结构，由此有机会变成一种能够按照设计稳定获得的材料。

“基础科学是在探索人类尚未抵达的认知边界”

“好的物理现象和物理性质，只有研究出能规模化的路径，才能真正走向应用。”刘开辉告诉中青报·中青网记者，在2014年回国后，自己就开始从事石墨烯相关领域问题研究，随着经典AB堆垛石墨烯研究愈发成熟，自己对新兴的菱方堆垛石墨烯产生了研究兴趣。

但科研攻关的道路从来不是一帆风顺的。数年间，团队尝试了无数条路径。可科学探索有时最让人受挫的，并不是一开始就失败，而是“看起来成功了”。

论文第一作者、北京大学物理学院博士后赵孟泽加入团队时还是刘开辉课题组的博士研究生。研究早期，他曾经在实验中得到一种与普通石墨明显不同的材料。由于此前几乎没有成熟的大面积菱方堆垛样品作为参照，拉曼光谱等表征结果也出现了明显差异，他一度认为自己已经“做出来了”。

接下来的约半年时间里，赵孟泽一直沿着这个结果向下研究。然而随着更多表征证据出现，答案才逐渐清晰：这个材料的确“不一样”，却并不是他们寻找的菱方堆垛，只是缺陷错位带来的假象。团队只能重新调整设计，换一条路，再从头做起。

刘开辉觉得，这恰恰是科学研究“非常有趣”的地方。在他看来，基础科学是在探测人类尚未抵达的认知边界，它没有固定的路径，也没有确定的结果。“一个假设提出后，要靠实验验证；出现新结果，又需要重新理解其中的物理机制，再提出新的假设、设计新的实验。反复迭代、反复循环、反复论证，这些都需要对科研探索的热爱与坚持。”他说。

转机终于在2024年年初出现。

刘开辉回忆，当时团队搭建的特殊光学显微镜能够通过细微的光学响应差异观察不同堆垛结构。普通石墨与目标菱方结构，在显微镜下呈现出略有不同的明暗特征。

当样品的显微图像出现在眼前时，他们发现，不再只是零星区域发生变化——很大范围的样品“全部变亮了”。

“那个瞬间是最兴奋的。”刘开辉说，能够直接在光学显微镜下看到这种差别，意味着目标结构已经不再只是极小尺度上的偶然存在，而可能在大面积样品中整体形成。“那个时候我就知道，这个事情基本成了。”

坐热“冷板凳”，搭好青年科学家的“台阶”

做出一种新的材料，距离普通人的生活究竟有多远？

刘开辉没有给出一个近在眼前的准确时间。但他提到，如今量子计算仍处在多种技术路线并行探索阶段，哪一种材料最终能成为重要的量子器件平台，尚无定论。菱方堆垛石墨烯因其平带、拓扑等物理特性，是探索强关联电子体系和拓扑量子态的重要材料平台之一。它最终是否会真正走入未来量子器件，可能还需要很长时间验证。

“十五五”规划纲要中提出，“加强原始创新和关键核心技术攻关”“聚焦战略必争领域和产业链供应链薄弱环节，采取超常规措施，全链条推动集成电路、工业母机、高端仪器、基础软件、先进材料、生物制造等重点领域关键核心技术攻关取得决定性突破”“瞄准世界科技前沿强化系统布局，实施人工智能、量子科技、生物科技、新能源等科技战略部署，加快突破基础理论和底层技术，促进转化应用”。

刘开辉表示，课题组选择问题时，会同时考虑两个坐标：“面向世界科技最前沿”和“面向国家重大需求”。许多问题，他们知道“很重要”，却不知道最终该怎么解决，更不能保证明年、后年就能走向应用。

因此在外界看来，基础研究可能要坐很久“冷板凳”。不过，刘开辉“并不觉得冷，心里还很热乎，觉得在做一个很重要的事情，也在做自己觉得有意义、有趣的事情”。

一起把“冷板凳”焐热的，还有团队里的年轻人。张志斌1995年出生，赵孟泽1997年出生。采访中，刘开辉不止一次把话题转向身边这些年轻人。从做实验到表征，再到看到结果后追问机制，以及提出假设后重新设计实验——在他看来，真正支撑这项成果的，是一群青年科研人员愿意一次次把错误答案推翻、重新开始。

石墨烯沿着“台阶”一层层延伸生长，青年科研人员也在前人的基础上一步步往前走。用刘开辉的话来说：“中国的青年科学家极具创造力和能量，‘老带新’形成的年龄梯度也像台阶一样，支撑年轻人迈向中国未来科研的新高度。”