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最完美的二維奈米材料–石墨烯

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李玟頡｜國家實驗研究院高速網路與計算中心科學計算組

石墨烯（graphene）是在2004年^[1]，首先由Andre Geim和Konstantin Novoselov等兩組物理研究團隊共同合作所製作出來的，令學界感到驚訝的是，他們使用一般膠帶，黏住石墨薄片的兩側，撕開膠帶，使薄片一分為二，不斷重複這個過程，獲得越來越薄的石墨薄片，藉此剝離出單獨且穩定的石墨烯，並放在氧化矽的基板上，利用光學干涉的方式辨識出單層的石墨烯。這個奈米級的產物，竟然在一點都不「奈米」的方法中誕生了，而這材料在科學界受到相當大的重視，在短短七年間，相關論文數也呈現指數成長，Geim等人也在短短6年後，獲得2010年諾貝爾物理獎。

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型蜂巢狀晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料，並擁有相當優越的物理性質，例如：石墨烯堪稱是最堅硬的奈米材料，其機械強度遠高於鋼鐵百倍，比重卻僅約鋼鐵的四分之一^[2]；電學性質部分，電阻較銅與銀低，為目前已知材料中於室溫下電阻最低的材料；光學性質部分，光學透明度可達 97.7 %^[3]，其幾近透明加上具備良好導電性，也在光電領域上受到關注，未來也可應用於太陽能電池、觸控面板與其他相關產業；熱傳導係數達 5300 W/m‧K^[4]，高於碳奈米管和金剛石；電阻率僅約 10^–6 Ω‧cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料；電子速度比現存的任何導體都來得快，速度只比光子慢了300倍；電子遷移率可達 2 x 10⁵ cm²/V‧s^[5]，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體；此材料易碎但卻可捲曲。此外，也可以藉由摻雜異物或表面改質處理改變其本質特性，使其應用性更廣泛。

但由於單層石墨烯之製程費用昂貴，近年來多層石墨烯或石墨烯氧化物也獲得大量青睞，其製作難度相較容易、製作面積較大、成本相對低廉、且容易控制薄片厚度和質量，儘管性質稍不及單層石墨烯，但如此優勢對於需要量產的產業應用上，卻是最有利的選擇。而在多層石墨烯或石墨烯氧化物的製程也已被相繼提出，例如有機械裂解法、化學還原法、液相剝離、及化學氣象沉積法…等。在科技應用上，石墨烯材料已被研究發現擁有不同的應用價值，例如在電子產業上，可應用在製作太陽能電池、透明觸控面板、電子傳輸元件、锂鐵電池、電容；而在生醫產業上則被用來製作生物感測元件、氣體檢測元件、催化劑等，此外也因為其各種優越特性，因此也常被應用在摻雜於各種複合材料上，使提升原複合材料之光、電、熱性質。石墨烯是目前同時擁有最薄、最輕、與優越物理化學性質的材料，在未來的十年，石墨烯仍會在科學研究上扮演重要的腳色，也將在產業界逐漸發光發熱。

參考資料

K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov (2004) Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science, 306, 666 - 669.
C. Lee, X. Wei, J.W. Kysar, J. Hone (2008) Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, Science, 321, 385 - 388.
K.F. Mak, M.Y. Sfeir, Y. Wu, C.H. Lui, J.A. Misewich, T.F. Heinz (2008) Measurement of the Optical Conductivity of Graphene, Phys. Rev. Lett., 101, 196 - 405.
A. Balandin, S. Ghosh, W. Bao, I. Calizo, D. Teweldebrhan, F. Miao, C. N.Lau (2008) Superior Thermal Conductivity of Single-layered Graphene, Nano Lett., 8, 902 - 907.
J.H. Chen, C. Jang, S. Xiao, M. Ishigami, M.S. Fuhrer (2008) Intrinsic and Extrinsic Performance Limits of Graphene Devices on SiO₂, Nature Nanotechnology. , 3 (4), 206.

資料來源

轉載自「國研院高速網路與計算中心79期電子報」

科發月刊(5210)

最完美的二維奈米材料–石墨烯

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