這廂<拾泥記>

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。

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。

【2010-12-06/聯合報】

石墨烯做成透明電極，可能是目前石墨烯最快能實現的應用。韓國三星公司喊出2012年要推出30吋的石墨烯材料面板。液晶電視、相機螢幕等各種顯示器都是透明電極，用石墨烯做成的顯示器，特性是軟、薄，光容易透出來，所以背光不用太亮。

此外，石墨烯顯示器可以曲摺，目前研發的軟性電子紙不容易顯示彩色動畫，石墨烯顯示器可以克服這項缺點；小說哈利波特中，具有動態照片的「預言家日報」，未來將不再只是作家筆下的幻想。

中研院應科中心副研究員李連忠表示，目前透明電極的材料主要是氧化銦，但是原料快挖完了，如果用石墨烯來取代，「碳」這種原料，地球上可是源源不絕。國科會特約博士後研究學者莊鎮宇說，未來甚至可以蒐集汽車排出的二氧化碳、甲烷，把裡面的碳元素轉成石墨烯的原料。

若單就品質而言，用膠帶剝純天然的石墨，製成的石墨烯品質最好、電子遷移率也最高。李連忠解釋，這是因為天然石墨在地底下經過2300度高溫、高壓環境所 產生，因此品質好。但是這種方法做成的石墨烯，缺點是面積不大。如果用CVD（化學氣相沉積法）製程，則可以「長」出大面積的石墨烯。

化學氣相沉積法是利用化學反應，將氣體反應物長成固態的生成物，並沉積在晶片表面的薄膜沉積技術。國內包括李連忠、莊鎮宇，以及清大工程與系統科學系教授 陳福榮、原子能委員會主委蔡春鴻等學者在內的研究團隊，在2007年就投入石墨烯CVD製程研究，目前已經有能力合成20公分以上的高品質石墨烯。

莊鎮宇指出，石墨烯CVD製程就是將碳沉積到鎳、銅等基板上生長，最先是實驗用鎳來當基板，但發現長得不均勻，後來改用銅當基板。CVD製程的溫度約要1000度左右，雖然已經比天然石墨必須經過2300 度的溫度低很多，但若要工業化生產，耗能還是太高。

業界希望能將溫度再降到560度，因為這是讓玻璃軟化的溫度。未來如果可以將製程的溫度降到560度以下，讓碳在玻璃基板上生長，可大幅降低成本。

為什麼用CVD製程「長」出的石墨烯，品質不如用膠帶「剝」天然的石墨？莊鎮宇解釋，在銅基板上長，首先要在上面上一層壓克力薄膜，等長成後，先要丟到酸 中把銅基板材料腐蝕，再放到丙酮中把壓克力溶掉，剩下的才是石墨烯。然而在溶的過程中難免有殘存物，會讓石墨烯的品質打折扣。

周五夜手動實驗 玩出驚奇

原子力顯微鏡是一種掃描探針顯微技術，利用以鎢或白金製成、只有幾個原子大小的針尖，像是摸骨一樣在檢測物上來回掃，藉由針尖與偵測物表面的作用，觀察材料表面的樣貌。由於針尖的原子會與偵測物產生吸力，因此稱為「原子力顯微鏡」。

國科會特約博士後研究學者莊鎮宇說，用原子力顯微鏡做石墨烯的原理，就是用石墨做成針尖，在氧化矽上面掃；可以想像成用鉛筆寫字的感覺。石墨針尖是筆，氧 化矽是紙。研究人員希望透過掃石墨筆尖的方式，「掃」下只剩單一碳原子厚度的石墨烯。可是用這種方法掃下來的石墨結構，最薄也只能到大約10層碳原子厚 度，無法更薄。

【2010-12-06/聯合報】