谷口隆（Takashi Taniguchi）进入世界上最强大的液压机之一的核心时，刺鼻的金属气味弥漫在空气中。这台七米高的机器可以将碳挤压成钻石，“但今天却没有。”相反，谷口和他的同事渡边贤治（Kenji Watanabe）正在使用它来生长物理世界中一些最想要的宝石。
在过去的八天中，两个钢砧在压力超过1500'和最高40,000倍大气压的情况下，在压机内部粉碎了粉末状混合物。现在，谷口打开了机器，冷却水从内部流淌了下来。他拿出了一个滴水奖杯，它是一个7厘米宽的圆柱体，并开始用小刀在其外层削薄，以消除有助于调节压力和温度的废金属。他说，“他的最后一步就像做饭一样”，专心地专注于他的工具。最终，他发现钼胶囊的大小不超过套管。他将其放在虎钳中，然后用前臂大小的扳手抓住它。旋转一圈，胶囊破裂并向空气中释放一阵多余的粉末。仍包裹在胶囊内部的是微光，透明，毫米大小的晶体，称为六方氮化硼（hBN）。
全世界的材料实验室都希望谷口和渡边在位于东京都筑波市国立材料科学研究所（NIMS）绿叶成荫的校园内的极限技术实验室中所做的工作。在过去的十年中，这对日本人一直是超纯hBN的全球主要创造者和供应商，他们免费向数百个研究小组发布这些信息。
他们为此付出了大量的研究和几乎所有的新闻发布时间。但是这样做，他们加速了材料科学领域最令人兴奋的研究领域之一：研究2D材料（例如石墨烯，单原子厚的碳片）中的电子行为。这些系统使物理学家们对某些量子世界中最奇特的电子效应具有深刻的洞察力，这使科学家感到振奋，并且有一天可能会导致在无电阻的情况下进行量子计算和超导电性的应用。
通过使用胶带从铅笔芯（石墨）中剥落碳层，可以很容易地自己制造石墨烯。但是，要研究这种材料的复杂电子特性，研究人员需要将其放置在特殊的表面上-一种完全平坦的保护性支撑物，不会干扰石墨烯快速移动的电子。hBN作为透明底层或基底进入的位置。“据我们调查，这是承载石墨烯或其他2D设备的最理想基材，”纽约市哥伦比亚大学的凝聚态物理学家Cory Dean说，他是研究小组的成员首先研究出如何将hBN和石墨烯配对。“只是以一种美丽的方式保护石墨烯免受环境污染。” / p>
当hBN薄片与石墨烯接触时，它也可以像保鲜膜一样工作，从而可以精确拉起碳板并将其放回原处。这使研究人员可以通过堆叠多层2D材料（例如三明治）来创建设备（请参阅“ raphene三明治”）。
例如，自去年以来，材料科学家一直在忙于这一发现，即仅通过将两片石墨烯精确地错开1.1个“α”角就可以使该材料在非常低的温度下成为超导体1。 ，2。并且在7月，研究人员报告了当三张石墨烯彼此堆叠在一起时的超导迹象-无需扭曲3。像其他数百个研究一样，这些研究都使用了谷口和渡边hBN的碎片来保护其样品。谷口谦虚地说：“只是参与其中。”“对我们来说，这是一种副产品。”迪恩对hBN对更热烈：他说：“这确实是这个过程的无名英雄。”“到处都是。”？/ p>
谷口和渡边都不是石墨烯研究人员，他们也不知道自己的宝石会变得如此受欢迎。研究人员现在拥有与他们的hBN制备工艺相关的多项专利，但是他们说，他们希望能够将其商业化。“目前，只有研究小组需要最高纯度的晶体。但是，有一个相当大的特权。由于这对夫妇因使用其晶体而从事研究工作而享有盛誉，因此它们已成为世界上研究最多的研究人员之一。Taniguchi和Watanabe去年一起发表了180篇论文，并且自2011年以来，他们在《科学与自然》中合着了52篇论文，使他们成为过去8年中这些期刊中最多产的研究者（请参阅“水晶需求”。
他们的水晶帝国可能不会永远持续下去：谷口正接近退休年龄，其他研究小组正在尝试制造高质量的hBN，这可能有助于改善供应量并加快研究速度。但马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的凝聚态物理学家菲利普·金说，现在，当物理学家知道NIMS如此出色时，他们还是不愿意测试未经证实的样品。为什么渡边和谷口？因为他们的水晶是最好的。
在压力之下
大型液压机生活在筑波实验室的一个巨大的工业空间中，里面充满了持续不断的嗡嗡声，机械和光线从高高的窗户射入，在下方的设备上投射出尘土飞扬的光线。这台机器是在1982年至1984年间制造的，当时该实验室是NIMS的先驱者之一美国国家无机材料研究所（NIRIM）的一部分。谷口在离开东京工业大学的博士后职位后，于五年后抵达东京。该印刷机最初是用来制造钻石的，但在1990年代，日本政府开始了一项名为““钻石”的研究计划，以寻找超硬材料中的下一个重要产品，该材料可能用于切割物质或用于半导体。
“石墨角”石墨烯如何引发物理学
该计划的领先候选者之一是立方晶型氮化硼（cBN），这是一种致密结构，其中的硼和氮原子像金刚石中的碳原子一样排列。Taniguchi最初专注于在压机中生长超纯cBN，“但他的团队无法消除”杂质，在制备样品时会侵入碳和氧的杂散位，因此晶体出现了不想要的暗淡，棕褐色投。然而，作为副产物，该方法产生了清晰的hBN，类似于石墨中的碳层，六方排列的原子层相互之间容易滑动。
材料科学家和光谱学家Watanabe于1994年加入NIRIM，当时Beyond Diamond计划刚刚开始。他花了几年时间研究钻石的光学特性。但是在2001年全院范围内推动跨学科合作的过程中，谷口敲开了渡边的门，邀请他看一下他的cBN晶体。
两位研究人员风格迥异。谷口以他的聚会而闻名，他在深夜经营新闻界时，在实验室里播放皇后的音乐，甚至在60岁时，他还在午餐时间与同事踢足球。渡边小三岁，说话柔和，注重细节，喜欢网球。但是科学家们合作得很好，并于2002年发表了有关cBN晶体的第一篇论文。
一年后，渡边（Watanabe）抱怨cBN谷口传递给他的质量，看了一眼新闻界的一箱废品。hBN晶体引起了他的注意，他决定检查其性能。谷口持怀疑态度：“泪说，”他是hBN的“无聊的东西！” Watanabe发现了一些新的东西：hBN在紫外线下发亮了，这不同于他多年来一直在寻找的钻石或cBN。他说，“这是我职业生涯中最激动人心的时刻。”这一发现使他在接下来的几周里一直在嗡嗡作响。两人于2004年5月报告了该结果，并提出hBN可能是有前途的紫外线激光器晶体5。
那年晚些时候，物理学家安德烈·吉姆（Andre Geim）及其团队在英国曼彻斯特大学（UK6）发行了预印本。他们成功地分离出了单原子层的石墨烯，掀起了原子薄2D材料的热潮。谷口和渡边好奇地发现了活动的狂热。谷口说：“人们对二维材料一无所知。”但是半年后，二维材料研究人员才发现了有关它们的信息。
令人大跌眼镜的发现
2009年，石墨烯领域遇到了问题。从理论上讲，这种材料非常出色，但是研究人员正在努力实现其全部潜力。问题似乎在于，石墨烯是一个单原子厚，与放置在其上的任何表面的形状都一致。如果该基板不是同样平坦，则会失去使材料独特的平坦度。同样，由于石墨烯非常薄，因此穿过石墨烯的电子基本上与其所倚靠的基材接触。这意味着基板必须非常纯净：任何杂质都会导致电子散射，从而降低电子迁移率。标准的氧化硅衬底不够好，似乎限制了石墨烯的性能。
哥伦比亚大学的机械工程师James Hone和他当时的博士后Cory Dean想到了更好的基质：hBN。它在原子上是平坦的，而且具有较宽的带隙-即大的能垒，可防止与原子结合的电子跃迁为移动的导电状态。这使hBN成为良好的绝缘体。
一次偶然的机会，一位Hone的博士后Lee Changgu Lee有了一些经验。他正在研究2D材料的机械和电气性能，并且已经从一家商业公司采购了hBN样品，该公司为化妆品行业生产了hBN。有些眼线笔含有高达25％的氮化硼。有一天，当三人坐在部门大楼外面吃三明治时，霍恩建议李给迪恩一些hBN，以便迪恩可以尝试将其用作石墨烯基质。Lee很高兴，但补充说，他已经在文献中阅读了有关潜在更高质量的选择：Taniguchi和Watanabe在NIMS上生产的更大，更纯的hBN晶体。只是一个问题：他以前联系过他们，但是通讯已经干dried了。洪恩建议问菲利普·金（Philip Kim）“他是石墨烯最著名的人”吗？正如李所说，当时是哥伦比亚大学的一名教职人员为他们写请求。
这样行之有效，金，李和迪安成为了石墨烯研究的NIMS晶体的第一个外部用户。Dean与博士生Andrea Young和Inanc Meric合作花费了一年的时间，研究出如何始终如一地操纵石墨烯和hBN薄片相互接触的方法。但是结果是惊人的。基于NIMS hBN样品，与氧化硅衬底上的石墨烯相比，石墨烯粗糙度降低了三分之二，并且电子迁移率提高了10到100倍。
该小组在2010年4月于大学公园的马里兰大学举行的年度石墨烯周会议上介绍了他们的发现。金说。“这是一种感觉。”立即，每个人都想知道如何获得hBN，包括Geim，他因当年在石墨烯方面的研究而获得了诺贝尔物理学奖。他通过电子邮件向Kim提出了一个问题：“ hilip：来源是什么？”？/ p>
谷口和渡边突然被询问和索取样品淹没。但是当金的竞争对手吉姆问他们时，他们犹豫了一下。谷口说：“情况可能会变得复杂。”“他们制造了水晶”，他们找到了财产。他问金：是否可以向其他团体（包括他们的直接竞争对手）提供产品？金恩说：“当然。”谷口回忆说：“哥伦比亚的一个小型研究小组不应垄断您的水晶。”
各地合作
如今，谷口和渡边已达成协议，为全球210多家机构提供服务。谷口在实验室外围的办公室中准备晶体，以便将其放置在该办公室中，在该办公室中，一叠装有一批批次样品的透明塑料托盘散落在柜台上的显微镜周围。谷口目前的批次是942号，这是他的记录中最新的记录，可追溯到十年前。每个包装（容纳四个印刷机中的四个不同样品）中的晶体总重量约为1克。但这可以使整个研究小组持续一年。
他们说，谷口和渡边明确要求成为论文的正式合著者。要接收样品，用户需与NIMS签署材料转移协议。许多研究人员说，这对夫妇的共同身份反映了样品种植者在该领域的重要性。金说：“没有他们的样本，没有他们的参与，我不认为我们现在可以做，所以分享作者的著作确实是当之无愧的。”
渡边说，供应业务中最糟糕的部分是文书工作。他说：“这是一个沉重的负担，而且非常沉重。”NIMS的作者在提交论文，接受论文和发表论文时，都必须向其主管提交个别报告。初级伙伴Watanabe和两者中更注重细节的人来承担任务。他在笔记本电脑上使用一个应用来跟踪配对文章和预印本，目前已有700多个。
在大多数研究中，谷口和渡边的相互作用仅限于提供晶体，他们希望从这些小组中获得有关晶体质量的反馈。谷口说，并非每个人都花时间写信给他失望。但是他们与最初的哥伦比亚小组成员（以及前哥伦比亚学生在其他地方建立自己的实验室时发起的第二代小组）成员的合作仍然是真正的合作。迪安说：“在这个过程中，他们已经成为了惊人的合作伙伴。”“嘿，我们与我们合作，不仅提供氮化硼，而且还试图弄清楚如何使事物更清洁，并使我们感兴趣的各种事物。” / p>
例如，在2010年石墨烯周演讲之后，金实验室的一名博士后研究员Pablo Jarillo-Herrero是第一个向日本夫妇要求晶体的人。现在，他领导着位于剑桥的麻省理工学院的团队，该团队去年报告了双扭曲石墨烯1,2的超导性，石墨烯1,2是由两层谷口和渡边hBN保护的结构。当物理学家丽贝卡·里贝罗·帕劳（Rebeca Ribeiro-Palau）于2017年从Dean小组搬到法国帕莱索的纳米科学与纳米技术中心领导自己的团队时，她立即与这对日本人取得了联系。她说：“与他们进行协作是第一步，甚至没有开设实验室。”
Ribeiro-Palau补充说，石墨烯是唯一受益于hBN的2D材料。例如，更复杂的材料层（称为过渡金属二卤化物）也已堆叠并扭曲以改变其电子性能，这又需要hBN7。确切地讲，您需要封装材料，保护材料，赋予不同的属性以及更改层之间的间距。里贝罗-帕劳说：“几乎所有的东西我们都使用氮化硼。”
越来越多的迹象表明，hBN可以在此类设备中担当更多的支持角色。根据斯坦福大学（Stanford University）戴维·戈德哈伯（David Goldhaber）ordon领导的研究小组今年分别报告的预印本，将hBN六角形结构与扭曲的石墨烯中的一层对齐可以破坏石墨烯片的对称性，改变电子相互作用的方式。加利福尼亚和安德里亚·扬（Andrea Young），现就读于加利福尼亚大学圣巴巴拉分校8,9。
六方氮化硼本身也被认为是一种引人入胜的2D材料。hBN浸在红外光中，就像一个超透镜：它可以聚焦光并创建比经典物理学所允许的图像更清晰的图像。它有潜力作为一种可以发射单光子的材料，这是量子密码术的有用功能10。Watanabe发现这种材料可以用作UV激光仍然受到关注，他的主要研究目标仍是研究这种情况如何发生。
其中一些工作是使用通过生产低质量样品的方法生长的hBN来完成的，例如通过化学蒸气将晶体沉积在薄膜中，而不需要高压。但是对于石墨烯研究人员来说，谷口和渡边晶体仍然是首选。吉姆说：“多年来，我们尝试了四，五种其他的hBN来源，它们全都是垃圾。”他说，由于高纯度六溴环十二烷短缺，这阻碍了全球石墨烯研究的进展。
可能胜过石墨烯的超级材料
其他团队开始追赶。盖姆指出，由曼哈顿堪萨斯州立大学化学工程师詹姆斯·埃德加（James Edgar）领导的小组现在已经接近达到与谷口和渡边工艺相当的质量。埃德加说，要复制日本团队的工作并不容易，因为他们拥有昂贵的巨人媒体。但是他的样品是通过一种简单的“便宜得多”的方法制成的，该方法包括用氮化硼和粉末状镍镍揷溶剂进料的炉子，对于石墨烯的研究目的是“好或几乎一样好”，他说。但是，它们目前在结构上有十倍以上的晶体缺陷或缺陷。
就谷口而言，他欣赏挑战者获得王冠的前景，并有机会相互推动，以种植更纯净，更完美的晶体。他说，“我们正在努力改善我们的系统，但我们需要许多合作者，而且还需要竞争对手。” / p>
成长中的事业
今年7月，谷口（Taniguchi）进入60岁，即研究人员在NIMS退休的年龄。这是金所关心的。“泪告诉他，”楬，高桥现在整个2D研究领域都处于危险之中。所以我们应该做些什么！幸运的是，对于2D领域，NIMS给予了Taniguchi缓刑：他们在今年初将他提升为一个同僚职位，这使他可以工作到65岁。他还没有制定继任计划，或者确定了一个头衔毛茅。
目前，他继续独自经营新闻界。回到他的实验室，他准备下一批“编号943”，用新鲜的顶针大小的胶囊填充白色的氮化硼圆盘，口气大小与薄荷糖相同。在两者之间，他放置了一层氮化钡和其他钡化合物，它们与氮化硼一起溶解，并充当溶剂和催化剂来帮助晶体生长和吸收杂质。
谷口对确切的食谱持谨慎态度：这是他的秘密调味料，他喜欢逐批改变钡层的成分。他说：“每次都使用相同的食谱并不是那么有趣。”对于初次使用的用户，他将发送一些基准晶体，但是对于长期使用的用户，他希望获得对该过程的每个细微变化的反馈。通过测量石墨烯中的电子迁移率，他们可以比谷口和渡边所测量的灵敏度更高地检测下面的hBN中的杂质。最初，没有人对它们的晶体有任何抱怨。谷口说，仅在过去的两年中，研究人员才开始报告会影响其结果的杂质-这是他们推动材料极限的结果。这激励了谷口改进。他自豪地说：“晶体种植者。”
他爬上压机平台，蹲在机器的钳口中，放下新的胶囊。返回控件：按下几下按钮，下砧开始从地板升起，击中核心。当红色的数字读数记下距离时，谷口用纸巾擦去了控制台上的一些污垢。
他说，尽管数十年来在印刷机上生长晶体的工作，但是关于该过程如何工作的基本物理学仍有许多发现。当压机压紧时，胶囊内部实际发生的事情仍然是一个谜。人们知道如何测量，如何思考发生的事情，晶体如何生长。只是想象。
自然572，429-432（2019）
