未來材料／未來材料石墨烯 輕薄強韌勝超導

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【聯合報／記者李承宇】石墨是由無數碳原子層疊合而成。找一段透明膠帶，黏上一點石墨，再用另一段膠帶黏上，一撕，原來膠帶上的碳原子層就會被黏走而減少。一剝再剝，直到只剩單一碳原子的厚度，就是今年諾貝爾物理獎所表彰新材料，石墨烯：六角形蜂窩狀排列的單一厚度碳原子層。

這是今年諾貝爾物理獎得主蓋姆和諾墨瑟羅夫這對師生檔，2004年在「周五夜實驗」（Friday evening experiments）中「玩」出的成果。「周五夜實驗」是蓋姆實驗室的有趣傳統，有別於平日正經八百的研究，鼓勵天馬行空發想，唯一的規則是：不准用複雜的實驗器材，只能赤手空拳，或用最簡單的工具。


單層原子 膠帶剝出
不要以為石墨烯是很容易「剝」成功的東西。諾墨瑟羅夫說自己整整用膠帶剝了一年才剝出剩單一碳原子層的石墨烯。國科會特約博士後研究學者莊鎮宇親身在實驗室裡用同樣的方法製作石墨烯，他說自己剝了兩、三個月後，才能抓到剝出單一碳原子層的「眉角」。

重要的是，石墨烯很薄，要看到、證明的確只剝到剩單一碳原子層，蓋姆和諾墨瑟羅夫最早也握有「獨家秘訣」。莊鎮宇指出，把石墨烯放在玻璃上，由於實在太薄，很難觀察；兩位諾貝爾獎得主的實驗室找到了一個方法，把石墨烯放在285奈米厚的氧化矽上透過特殊的角度，才能清楚觀察到。

在蓋姆和諾墨瑟羅夫成功做出石墨烯前，這種材料只是課本上的理論而已。

當時學界根據熱力學原理，認為除非有支撐材料，否則不可能有任何孤立的二維晶體能在有限的溫度下存在。莊鎮宇用白話解釋，就是「材料不可能做到很扁」。他舉例，如果把把一滴水放在載玻片上，上面蓋一片蓋玻片，可以把水滴壓扁。如果把玻片（支撐材料）拿走，水滴又會恢復原狀。

推翻現有教科書

6年前，石墨烯成功被「剝」出到這個世界上，證實確實有一種晶體可以不須任何支撐材料，就能以平面的狀態在有限的溫度下存在。

諾墨瑟羅夫日前接受中央研究院應用科學中心副研究員李連中邀請，來台灣參加研討會。他總結石墨烯有6大特性：線性光譜、高電子遷移率、獨特光學性質、高延展性、堅韌，及只有一個原子這麼薄。

利用石墨烯這些特性，除了有助實驗室中的科學家在常溫下就觀察到量子霍爾效應，而不必想盡辦法在絕對零度的環境下才能實驗；石墨烯的薄度也有助於讓穿透式電子顯微鏡看得更清楚。

在日常應用方面，石墨烯也潛力無窮。目前以矽做材料的電晶體，電子遷移率大約1500到2000cm2／V‧s，但是石墨烯可以高達20萬。李連忠表示，未來如果石墨烯發展成熟，將可做成超高頻的通訊電晶體，電腦的中央處理器的頻率也可以從現行的GHz等級，晉升到Tera Hz，快約1000倍。

電子遷移 暢行無阻

莊鎮宇形容，電子頻率就是電子在正負極間不斷交換位置，然而電子有質量，交換位置的速度太快就會支撐不住，所以讓電子的質量愈低，頻率就可以愈快。石墨烯的特性可以讓裡面的電子質量接近0，因此可以大幅提高頻率，增加電腦的運算速度。

此外，諾墨瑟羅夫還提到，石墨烯也可以應用在氣體偵測上。如果把石墨烯當主動元件，當石墨烯暴露在偵測的分析物中，觀察石墨烯導電特性的改變，就可以精細偵測到一個氣體分子的尺度。莊鎮宇說，如果這種偵測器研發到可以應用的程度，未來機場海關的米格魯就可以功成身退了，因為用石墨烯氣體偵測器，一樣可靈敏測到氣味。