雷奕安的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/leiyian 关于未来的长远可持续发展技术方案,能源,量子力学,人工智能,等

博文

石墨烯“光驱动”一文的错误来源讨论 精选

已有 6694 次阅读 2015-6-27 01:27 |个人分类:个人看法|系统分类:观点评述| 石墨烯, 光驱动

如陈学雷研究员所言,最早我们的质疑是基于新闻中南开组的理论和视频,并没有仔细看论文。

今天比较仔细地研读了一下论文,发现了论文的一些错误,并且有几点感想。

 

首先南开组的工作还是很仔细的,方方面面都尽量注意到了,除了结论和还有几处处理方法值得商榷外,工作本身还是很好的。

其次,跨学科研究的确比较困难。文章已经提到了强激光的影响,但是作者自己毕竟没有做过激光等离子相互作用的研究,对自己获得的数据解读有问题。

第三,论文中提出样品不存在900摄氏度以上高温的论证值得商榷。论文补充材料的“The Possible Highest Temperature ..."一节中,论证了一次脉冲(2毫秒)导致升温822K。但是激光脉冲是连续的,一秒内有几百个脉冲,下一个脉冲马上就到了,样品没有时间冷却。对这一点,论文没有提。

第四,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。这从补充材料的图S13可以看得很清楚。主图中,光强为37.1W/cm2时,电流不到1nA,增加10%,42.9W/cm2时,电流就增加到接近4nA,往上同理。光电效应在弱电流情况下,电流与光强的依赖关系是线性的。接近饱和时,电流增量随光强变化递减。此图完全不是这一规律,随着光强线性增大电流成指数关系增长。这用强激光导致电离理论可以很好说明。光电效应并不需要很强的光,普通太阳光就很强了。论文中采用的光,最弱都是地面太阳直射光的几十倍。另外,光电效应的截止条件是光子的能量,也就是光的波长,而不是光的强度。该图明显可以看出37.1W/cm2是发射电子的截止强度,光强再低,就不会有电子发射了。

第五,所有的实验都使用了很强的光,以产生”驱动“效应,无论是激光(很强),氙弧光(很强),还是阳光(使用了透镜)。照射到毫克量级样品上的光必须达到瓦量级,才能出现明显的“驱动”。几焦耳的能量加到毫克量级的样品上,热效应非常强,而论文没有讨论热效应的影响。这是很大的缺憾。要知道,石墨烯的密度非常低,比一个大气压下的空气还低。也就是说,如果把一块大一点的石墨烯用很薄的膜密封,它能漂浮在空中。从方法上来说,如果用弱光也能产生驱动效果,才能说明问题。况且对于驱动旋转的实验,仅靠光压似乎都够了。

第六,论文“discussion”前一段,讨论出射电流和电子数目,认为出射电子总能量大于样品上飞的动能,所以样品能够从出射电子反冲得到足够的动能,这是一个致命的概念错误。反冲是动量相等,不是动能相等。我一直想找出他们计算的反冲力,好与光压力比较,但最后只发现了这一段。

第七,上承第六。利用上面说那一段的数据,电子流量取最大,5.7E12 s^-1,能量取70eV,计算1秒照射后的反冲。不考虑相对论效应(很小),电子质量9.1E-31,可算出电子速度为 (取国际单位制)

sqrt (2* 70*1.6E-19 / 9.1E-31) = 5E6 m/s

电子总动量为

5.7E12*9.1E-31*5E6 = 2.6E-13

也即样品的反冲动量。样品质量取0.8毫克,对应样品的反冲动能为

0.5*0.8E-6 * (2.6E-13/0.8E-6)^2 =  4E-11 J

远远小于文章中说的1E-6焦耳。

第八,上承第六,第七。虽然新闻称电子喷射推力是光压的1000倍以上,论文中却找不到反推力大小的数据。而是从上面第六中说的错误概念出发论证(正文及补充材料“Estimation of the Energy Conversion..."一节)。那么电子喷射反冲力究竟是多少呢?从上面算出来最大电子流量时的电子动量来算:

f = ma = mv/t = 2.6E-13/1 = 2.6E-13 N

也就是说电子反冲产生的推力只有2.6E-13 牛顿,只有光压的十万分之二!跟新闻中表述的差八个量级。

 

(上面几条是第一次读论文后写的,以下三条几天后再看的时候发现的,这时我已经觉得论文作者有问题了)

第九,算出电子推力之后,可以看出,图S13和图4表达的内容是完全矛盾的。一个说推力与激光功率成正比(图4),一个说推力很小,低于37W/cm2就没有推力了,并且随着激光功率的提高,成指数关系上升。

第十、讨论激光照射后样品没有粒子发射的质谱仪实验中(补充材料图S11,S12)。质谱仪测量的应该只是带电粒子。激光虽强,照射后热发射射出的还是原子、分子,或者团簇。激光本身的能量不足以电离现场任何一种原子(碳,氧等),用质谱仪检测合适吗?而且MALDI的激光就是用来产生离子的,而实验中又把质谱仪的激光关掉了,根本就没有电离,也就是没有离子或者带电团簇,这一检测还有效吗?另在图S12中,为什么说没有检出分子或者粒子呢?那些读数不是1吗?

第十一、在说明高能电子产生的类俄歇效应图中,激光只能把费米面附近的电子激发上去,能量范围在费米面上下不过一两个电子伏特,一个能带间隙也就一两个电子伏特,况且能隙下面的能级没有理由空着,自由电子怎么能掉下去呢?怎么也应该由上面能带的电子先填充吧。电子布居反转也不是很好理解,因为除非非常规则的激光和微观结构,电子布居应该满足费米-狄拉克分布。这里石墨烯的多孔结构不能算是规则的。不过关键在于,费米面附近,就算再加上一两个能带,10个电子伏特足够了,怎么折腾也不会产生大量70电子伏特的电子。

(下面是第一次写的)


总结一下,论文的关键错误是认为电子反冲导致石墨烯样品得到的反冲动能,应该等于电子的动能。当然没有这个定理,只有动量守恒定理。这个错误导致反推力为光压1000倍以上的结论,但实际计算的结果仅为光压的十万分之二。激光导致石墨烯温度升高的分析仅计算一个短脉冲有点奇怪。大概作者们不相信热效应会有什么影响,也不希望计算热电子这个太简单的概念。论文中用到的石墨烯非常轻,但是看起来是一块固体。常识让我们觉得光照在固体上不应该出现热发射,激光等离子相互作用这些现象,因为密度大,热容大,温度升高不会很显著。但对于密度不到普通固体密度千分之一的稀疏石墨烯,情况不是这样。不知道为什么作者们没有直接计算电子的反推力。如果算出1000倍来,说服力很强。而且也不难算,上面用到的都是最基本的牛顿力学。

 

 



https://blog.sciencenet.cn/blog-268546-900873.html

上一篇:石墨烯“光驱动”现象各种解释的验证
下一篇:石墨烯“光驱动”一文应该主动撤稿
收藏 IP: 96.44.160.*| 热度|

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (15 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-12-3 23:12

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部