2010年12月6日

挑戰不可能的任務— 製備石墨超級薄片

作者/李偉立(任職中央研究院物理研究所)

從石墨中抽取出單原子層石墨片似乎是一件不可能的任務,而兩位科學家從平凡中創造神奇,完美達成任務並掀起研究熱潮。
今年的諾貝爾物理獎,由兩位任教於英國曼徹斯特大學的52 歲俄國裔科學家安德烈‧蓋姆(Andre Geim)以及年僅36 歲的康斯坦丁‧諾弗瑟列夫(Konstantin Novoselov)獲得。在一個星期五的晚上,他們突發奇想用膠布反覆撥開的方式,挑戰製造單原子層石墨片這個不可能的任務;而這個看似荒謬的想法,讓他們首次成功地製備近乎完美的二維度單原子層石墨片,達成高科技設備所無法完成的任務。他們在2004、2005年分別發表於ScienceNature 的兩篇論文,震驚全世界並引發薄石墨片的研究熱潮;由於其具有極為獨特的物理特性及優越的材質特性,這股熱潮將引領現代科技及科學發展進入新的紀元。

歡迎來到碳的世界

碳為元素週期表中,大家熟知的一個元素。它的原子序等於6,由六個質子、六個中子及六個電子所組成。如果將地球表層所有物質做含量的分析,碳為地表中含量第十二多的元素,每100萬個矽原子便相對有約5000 個碳原子;於人體內,也有20%的體重是源自碳元素;若再進一步擴大至宇宙的尺度,由原子組成的物質中(僅約占宇宙組成物的5%,其餘95%乃由暗能量及暗物質組成),碳元素約占0.46%,僅次於氫、氦及氧。因此,我們確實是生活在一個富含碳的世界。

碳除了以各種形式的碳化合物存在之外,亦有許多單純只有碳元素所組成的物質,例如鑽石與石墨(表一),儘管組成元素皆只有碳元素,但是它們的外觀、硬度與價值等,卻有如天壤之別。鑽石中碳原子四個能量相近的外層電子軌域互相混雜,形成sp3混成軌域,因而每一個碳原子皆與四個最鄰近的碳原子形成鍵結,其晶格結構為正四面體而呈109.28 度夾角。相較之下,石墨中只有三個外層電子混雜為sp2混成軌域,每一個碳原子僅與三個鄰近之碳原子形成鍵結,晶格結構為三角形而呈120 度夾角,剩下的一個外層電子則可於石墨中自由移動,也因此石墨具有良好導電性,而鑽石卻是絕緣體。
我們常用的鉛筆芯主要成分便是石墨。石墨的晶體是由一層一層的單原子層石墨片堆疊形成,而層與層之間僅靠凡得瓦力(van der Waals force)連接。如圖一所示,單原子層石墨片厚度為3.4 埃(1 埃= 10-10公尺),學名為石墨烯(graphene),因此由30 萬層「石墨烯」所堆疊出來的石墨片約略等同於一張台幣百元鈔票的厚度(近似0.1 毫米)。

單原子層石墨片的晶格結構為蜂窩結構(honeycomb),呈現正六邊形網狀結構,每一個頂點皆有一個碳原子,而最鄰近之碳與碳間距為1.4 埃(圖一)。儘管其結構非常簡單,早在1947 年已有相關的理論計算研究,然而直到約60 年之後,石墨烯才首次由蓋姆及諾弗瑟列夫於膠布實驗上獲得。
圖一:一般鉛筆芯的主要成分為石墨,石墨的晶體是由一層一層的單原子層石墨片堆疊形成,層與層之間僅靠凡得瓦力連接。單原子層石墨片學名「石墨烯」(graphene),每片厚度3.4 埃,晶格結構為蜂窩結構,如圖呈現正六邊形網狀,每一個頂點皆有一個碳原子,而相鄰之碳與碳的間距為1.4 埃。「碳六十」及「奈米碳管」是著名的碳奈米同素異形物,兩者皆可由單原子層石墨片獲得其結構。

碳六十(fullerene ,富勒烯)及奈米碳管(carbon nanotube)為另外兩個著名的碳奈米同素異形物,其結構皆可由單原子層石墨片獲得。如圖一所示,若選取圖一A 所指部分之單原子層石墨
片,可包覆成表面有12個正五邊形及20個正六邊形的碳六十結構;若選擇圖一B 所指部分,則可捲曲形成奈米碳管。然而碳六十及奈米碳管在實驗上的發現與獲得均比單原子層石墨片早約20 年。

值得一提的,碳六十乃於1985 年由兩位天文物理學家及一位化學家共同發現,其靈感來自於外太空富含碳的星際塵埃, 11年後他們三位獲頒諾貝爾化學獎;相較之下,蓋姆及諾弗瑟列夫的實驗突破在短短6年後便獲得諾貝爾物理獎,確實十分難得。【更詳細的內容,請參閱第492期科學月刊】

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