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石墨烯的發現-研究新穎材料的新紀元
石墨烯是一個既古老又新穎的材料,觀察石墨烯的排列型式,可發現其與石墨的單原子層相同,呈現蜂巢狀的單層二維晶體,但在物理特性上,卻無一材料與其相仿。它不僅是目前世界上最薄的也是最強韌的材料、透光率高達97.7%,且是目前已知的材料中電阻率最小的,甚至比銀還低。
 
 
新紀元的開始
 
2004年某個星期五晚上,英國曼徹斯特大學的兩位物理學家:安德烈·蓋姆  (Andre Geim)與其學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 成功地分離製備出石墨烯 (graphene),自此開啟研究新穎二維材料的新紀元。兩人也因為「在二維石墨烯材料的開創性實驗」,共同獲頒2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯與日常生活中使用的鉛筆,都是由碳的一種實體形式--「石墨」組成,亦即石墨烯係由一層與鉛筆相同的碳原子所構成,也可以從石墨塊上裁切下來。它的成功分離與諾貝爾獎的殊榮,展現出即使是習以為常的舊事物,有時候也會以驚人且出乎意料的面貌亮相。當人們利用鉛筆在紙上書寫時,一層又一層的石墨烯被剝離在紙張上,卻不曾想過它竟然是一個新材料研究的濫觴。
 
石墨烯是一個既古老又新穎的材料,觀察石墨烯的排列型式,可發現其與石墨的單原子層相同,呈現蜂巢狀的單層二維晶體,但在物理特性上,卻無一材料與其相仿。它不僅是目前世界上最薄的也是最強韌的材料、透光率高達97.7%,且是目前已知的材料中電阻率最小的,甚至比銀還低。早在1947年,開始探索單層石墨原子的物理特性理論不斷出現,但在漫長的時間中,儘管有許多的嘗試,甚或偶然的發現少層的石墨原子,但均未能成功的證實並量測其物理特性,直到 2004 年,單層石墨烯才在實驗室中被成功的從石墨中穩定分離。
 
石墨烯的單層結構示意圖。(圖片來源:郭建成)
▲石墨烯的單層結構示意圖。(圖片來源:郭建成)
 
在石墨烯成功被分離製備的過程中,一些細節與當今的科學研究發展趨勢呈現有趣的對照。自從上個世紀八零年代末期以來,物理科學的研究越趨專業,許多專業的儀器製造商應運而起,研究儀器的購置也越來越昂貴。這與更早之前物理學家從物理概念發想,創造所需研究工具的年代已不可同日而語。但是在曼徹斯特大學的石墨烯發現過程中,卻展現了無比的創意。沒有複雜精密的實驗設備,海姆與諾沃肖洛夫兩位物理學家善用石墨易於剝離的特性,以隨手可得的 scotch 膠帶,利用反覆剝離的方法成功地將石墨烯從石墨中分離。這個方法雖是許多研究石墨的科學家熟知的方法,然而只有他們能成功的實現石墨烯的開創研究。在實現的過程中,即使可以理想的剝離出幾個原子層的石墨烯,但要如何確認所剝離石墨烯的層數卻又是另一個挑戰。海姆與諾沃肖洛夫發揮巧思,避開複雜且昂貴的儀器設備,利用可見光穿透過承載石墨烯的二氧化矽基板與石墨烯間的干涉原理,在光學顯微下以「顏色」來判定石墨烯厚度。他們透過這些原創性的想法,在中學實驗室即可獲得的設備中,成功的分離並確認石墨烯,進而加以量測得到驚人的成就。
 
石墨烯的應用
 
因為碳原子的蜂巢狀晶格中的電子海所形成的特殊能量與動量相依關係,石墨烯具有諸多優異特性,例如比鋼鐵強上百倍的強度,以及比銀更優異的導電性。這樣的特性,除了可以讓物理學家深入探索基礎量子物理學之外,更成為全世界的材料科學家們瘋狂探索大量可能的應用。其中最實在的用途是觸控螢幕的應用,由於石墨烯具有的高透明度、強度和導電性,可說是非常理想的材料。另外,石墨烯最引人注目的發展是取代以矽為主的半導體電晶體結構的可能性,突破目前已遇到的瓶頸,以延續摩爾定律的願景。通過石墨烯所具有的原子尺度進一步微縮晶片,以克服目前以矽為主材料製作的晶片所面臨的尺寸限制。如果這個夢想可以實現,半導體工業將從「矽時代」進入「碳時代」的新紀元。
 
材料的新紀元
 
儘管距離石墨烯獲頒諾貝爾物理學獎已經有一段時間,但是石墨烯及相關的研究熱潮並未消退。2018年三月物理學家甚至在具有「神奇」堆疊角度的雙層石墨烯中發現嶄新的超導特性,可能最終成為實現室溫超導的夢幻材料。石墨烯引領的風潮,不僅僅是在研究石墨烯本身,近年來由石墨烯所掀起全新的研究領域「二維新穎材料研究」,許多與石墨烯同樣既古老又新穎的材料被陸續推上了研究的前沿:如二維氮化硼、過渡金屬二硫族化合物與三硫族化合物等二維材料。它們的共同特色都是如石墨烯一樣的形式:側面具有穩固的鍵結形成二維層狀結構;層與層之間僅有微弱的凡德瓦鍵。這樣的凡德瓦結構將可如石墨烯,以機械剝離的方法製備,並且因其層與層之間鍵結微弱,因此可以更自由的堆疊形成異質結構。這樣的特性讓科學家如同樂高積木一樣堆疊不同特性的材料,形成具特定功能的結構甚或元件,是名副其實的「夢幻仙境」。而海姆與諾沃肖洛夫所建立的機械剝離、光學顯微鏡與拉曼光譜等方法,也有趣的成為現在研究這些新穎材料時的重要技術之一。
 
(本文由科技部「主題科學傳播」團隊策劃執行)
責任編輯:郭啟東/國立中山大學
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