國立交通大學紀國鐘老師實驗室(架設中)

 

史上最薄的材料--石墨烯(Graphene)

graphene   graphene
  圖一 石墨烯的六角蜂窩狀結構        圖二 安德烈·海姆康斯坦丁·諾沃肖洛夫

一,何謂石墨烯


        石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料(圖一)。而在早期,科學家普遍認為單層原子的二元結構是不穩定的且不存在的。而在2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在,兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」為由,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。    我們一般常見的石墨塊,其實就是由一層層的石墨烯所組成的三維晶體。另外,一般所熟知的巴克球(例如碳六十)和奈米碳管也被形容為是由石墨烯所捲曲而成的物質(圖2)。graphene01
圖 2 巴克球,奈米碳管以及石墨都被視為是石墨烯的衍生物質


        二、如何製造石墨烯


        現在石墨烯的製備方法有機械剝離法(mechanical exfoliation)、磊晶成長法(Epitaxial growth)化學氣相沈積法(chemical vapor deposition, CVD)化學剝離法(chemical exfoliation)等。

HOPG

        其中機械剝離法是最早成功製造出石墨烯的曼徹斯特大學A. K. Geim教授研究團隊所使用的方法。是利用一塊石墨薄片(HOPG)黏貼在一塊3M的膠布上,再用另一片膠帶黏貼石墨薄片的另一面。將兩片膠帶撕開時,會將石墨剝離成兩片更薄的石墨薄片,把這得到的石墨薄片再黏貼膠帶然後再撕開,重覆經過這個相當簡單的膠帶剝離步驟數次,製得很薄的石墨薄膜,從而能夠獲得小片單層原子厚度的石墨烯。我們實驗室所利用的方法為化學氣相沈積法。
        化學氣相沉積法是利用在高溫爐管中(900度以上)通入氫氣以及甲烷,使碳原子從甲烷中剝離出來附著到特定基板上(如銅,鎳),並透過降溫的過程使碳原子聚集而形成石墨烯的六角蜂窩型晶格結構。由於利用化學氣相沉積法的製程方法簡單,所得石墨烯品質高,可實現大面積的生長,而且可以轉印到任何基板上。因為有上述顯著的優點,所以利用化學氣相沉積法成長石墨烯的研究也是近期相當熱門的主題。

三、石墨烯的應用


        石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料 ,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;導熱係數高達5300 W/m·K,高於碳奈米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s,又比奈米碳管或矽晶體高,而電阻率只約10-6 Ω·cm,比銅或銀更低,為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低,電子跑的速度極快,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。由於石墨烯實質上是一種透明、良好的導體,也適合用來製造透明觸控螢幕、光板、甚至是太陽能電池。而石墨烯另一個特性,是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應。

參考資料: 1、石墨烯的化学氣相沉積法制備 任文才,高力波,馬来鹏,成會明(中國科學院金属研究所瀋陽材料科学國家聯合實驗室 遼寧瀋陽110016)
                 2、世界上最薄的材料--石墨烯 台灣師範大學化學系/洪偉修教授
                    (http:\\ www.knsi.com.tw)
                 3、維基百科  

 

石墨烯參考影片 : http://www.youtube.com/watch?v=A2H8EIPGaAU
                                http://www.youtube.com/watch?v=AElcNqHmNJk