2008年7月30日 星期三

鉛筆屑



Graphene(單層石墨)這名詞於 2004 年才首度正式出現,卻在近短短幾年內就紅火得刺眼。隨意 Google 一下便能發現到處有人問:究竟 graphene 是真正潛力無窮的新興材料,抑或它的風行只會像幾年前奈米碳管熱潮般曇花一現?

Graphene──「鉛筆屑」所能達到最薄的狀態。它是單原子層的蜂窩狀二維碳晶,相關製程有時可被歸類在奈米技術裡。不過,有趣的是:不像多數奈米材料必須用「長」的(growth / synthesis, deposition, ...),graphene 可以用長的,也可以「化學剝離」(chemical exfoliation)製成,甚至可以「物理剝離」(mechanical cleavage);尤其目前科學研究市場上以物理剝離來的 graphene 佔大宗,最普遍的技術就是之前文章提過的:用膠帶黏些鉛筆屑下來,再把鉛筆屑沾到半導體基板(substrate)上。(當然,大部分的鉛筆屑會是雙層以上的原子層,物理性質與二維單層不同;要找出單層可先用電子顯微鏡篩選。)Graphene 的應用前途比奈米碳管更被看好的主因之一,就是它可以輕易的被安放在半導體或其他可用的電子裝置上。

這兩年,在 Nature、Science 這兩個最受歡迎的科學期刊上,關於 graphene 的研究發表幾乎沒斷過。擇日不如撞日(?),就以這個月 Nature 家族為例,柏克萊大學便發表了兩篇甚受矚目的 graphene 研究:一是發現將 graphene 用作為 TEM (穿透式電子顯微鏡)薄膜可以觀察到氫原子(大綱)。二是在首度以 STS (掃描穿隧能譜)探測 graphene 的實驗裡,發現其穿隧導電度大受聲子影響(大綱)。後者所用 graphene 正是沾在 SiO2/Si 基底的鉛筆屑,所以可為 graphene 調整後閘極(矽基底)的電壓。而前者的觀察目標卻是懸架的(suspended)graphene:沒有基底,可避免基底對 graphene 的干擾(graphene 與基底相互作用下,會引進三維性質,就不是真正的「二維」了)。

Graphene 新奇的特性之一,就是它的電子/電洞的低能激發態具有相對論性無質量 Dirac 費米子的性質。在第一個 STS 實驗中,科學家們的初衷便是探究這些 Dirac 費米子行為在不同電荷密度(可由後閘極調整)下的行為。但他們卻意外發現有個能隙固定在費米能級上出現,而較高能量時的穿隧導電度因聲子作用而大大提高。

在第二個 TEM 實驗中,科學家們觀測懸架的 graphene,目的是想研究 graphene 二維晶體的失序現象;最後卻意外發現 graphene 上的「髒東西」之一──氫原子,可以被清楚看見。(在傳統 TEM 薄膜上,低原子數的元素因為對比度太低,很難被觀測到。)優秀的研究,需要完善縝密的規劃,但不少新鮮的發現,卻來自無法控制的意外。這個「髒東西」氫原子就是一個好例子。

1 則留言:

  1. 去年在一場半導體討論會議上我聽到一個 McGill 來的教授說,Graphene 材料其實非常的容易的取得。有個學生一天到晚用著透明膠帶放在石墨片上面黏阿黏的,就得到了非常完美的一塊單層 Graphene。呵呵。

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