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仿蛾眼石墨烯開創光電應用新願景

本篇介紹模擬偏瞳蔽眼蝶眼睛表面奈米突起結構的仿蛾眼石墨烯,是一種高效能吸光材料,能夠捕捉光和餘熱發電,將石墨烯的吸光率提高至99%,可廣泛應用於光電設備,增加太陽能電池轉換效率,也能用於抗反射塗層等方面
 
 
 
2004年物理學家海姆(Andre Geim)和指導的博士生諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)因為成功將石墨烯(graphene,碳質新材料)從石墨中分離出來,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。這種目前世界上最薄、電阻率最小、兼具彈性及導熱佳的奈米材料,硬度是鋼鐵的一百倍,為二維六角型蜂巢晶格結構的平面薄膜,面積約0.052nm²,密度為0.77mg/ m²,厚度僅有一個碳原子。面積一平方公尺的單層原子的石墨烯總重僅0.77mg,卻可乘載四公斤內的重物;但缺點是無法有效捕捉光和熱,僅有2-3%吸光率,幾乎完全透明。今(2016)年2月英國薩里大學(University of Surrey)西瓦(S. Ravi P. Silva)教授發明了一種模仿偏瞳蔽眼蝶(Bicyclus anynana)的眼睛(以下簡稱蛾眼)表面奈米突起結構的高效能吸光材料,能夠捕捉光和餘熱發電,將石墨烯吸光率提高至99%,即使很微弱的光也可吸收,是已知材料中能吸收同等範圍光波中最薄且效率最高的,開創了石墨烯應用於光電領域的新願景。

這份在《科學進步》(Science Advances)期刊上刊登的研究報告指出,研究團隊利用一種稱為奈米紋理(nanotexturing)方式對石墨烯表面進行紋理調整,藉著非晶碳(amorphous carbon)和鐵薄層間的固態反應產生電子解耦(electronic decoupling)的石墨烯層,這種反應會讓其平面間啟動一個扭轉的角度,使各層分開並能保留個別層的電子性質。再以真空技術形成無序排列的奈米結構,讓其堆疊成多層解耦石墨烯層,組成厚度為15奈米的超薄吸收層。這種仿生蛾眼結構可吸收許多不同頻率的光,具有從中紅外線跨越可見光至紫外線光譜的強力超寬頻吸光能力。這種製程技術不但與目前業界使用的真空電漿沈積技術(vacuum plasma-deposition techniques)相容,並且日後有可能實現低成本的卷對卷生產(roll-to-roll production)技術。

仿生蛾眼石墨烯的新材料應用層面相當廣,雖然目前價格高達每公斤250-300美元,但仍具有巨大商機,已研發應用於單分子氣體偵測、光能飛行器、石墨烯奈米帶、積體電路、石墨烯電晶體、透明導電電極、導熱材料或熱界面材料、場發射源及其真空電子器件、超級電容器、海水淡化、太陽能電池、石墨烯生物器件、人造皮膚、抗菌物質、和石墨烯感光元件等方面。
早在1962年生物學家伯納德和米勒(C. G. Bernhard and William H. Miller)就觀察蛾眼構造,隨後其他科學家雖然發現許多昆蟲組成複眼的六角形小眼表面的奈米突起結構形狀、尺寸、和排列等有差異,但都具有類似原理,在很微弱光線下都看得清楚,爾後就通稱這類昆蟲的複眼結構為蛾眼構造。2006年荷蘭格羅寧根大學(University of Groningen)斯特芬嘉(Doekele G. Stavenga)教授經試驗得知,屬於鱗翅目蛺蝶科(Nymphalidae)的偏瞳蔽眼蝶,其小眼表面具有排列整齊、高度為210奈米的奈米突起,兩個突起間距為205奈米,當光線進入時能夠將其分別聚集到小眼的感光細胞而形成清晰圖像,由於只反射極少的光,因此光吸收力特別好。

太陽能電池是將太陽光轉化成電能的裝置,當光照到導體或半導體上時,光子與其中的電子作用,造成電子流動而產生電壓與電流。太陽能電池界已持續研發用輕薄的石墨烯材料製成新型太陽能電池,希望開發對環境無污染的環保發電方式,這種發電方式不僅可再生,而且不會產生二氧化碳等溫室氣體。太陽能電池依材質可分為單晶矽、多晶矽、薄膜、聚光型、染料敏化等類型,但目前應用最廣、產量最大的單晶矽與多晶矽太陽能電池商品,僅能將太陽能轉換成約15%的可用電能,其餘85%都轉換成無法利用的熱能,即平均效率只有15%左右,未來運用仿蛾眼研究成果增加石墨烯的吸光率以大幅增加轉換效率就成為太陽能電池應用的關鍵重點。

仿生蛾眼石墨烯除了可廣泛應用於光電設備,例如將此高度吸光薄層塗佈在太陽能電池表面,能夠顯著提高收集光線及轉換成電能的效率;也能用於抗反射塗層眼鏡、校正天線(rectennas, 矽控整流二極體天線)、和光電探測器等方面;這項技術也讓紅外線光電微機電系統設備(IR opto-MEMS)設計可應用於顯示技術,進而提高各種有關光捕獲和光學元件裝置的現有或新興技術的性能;這項發明甚或將改變我們的生活,包括發展可貼在窗戶或牆壁上發電的智能壁紙,以及可隨時充電、維持長效運用的智慧型手機電池或穿戴式裝置等。
(以上新聞編譯自2016年2月26日發行之Science Advances雜誌等)
(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

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