2011年1月6日

[知識分享站] 實現觸控式螢幕夢想的超級材料-石墨烯(graphene)

飛資得 咱e報在2011年開始，大家會發現不但是手機要有觸控式螢幕，桌上型電腦和筆記型電腦也開始將觸控式螢幕作為主要配備之一，未來的螢幕不但越來越薄，也越來越輕；這或許都要歸功於發現可以利用簡單的方式來製造石墨烯(graphene)的蓋姆（Andre Geim）與諾伏西羅夫（Konstantin Novoselov）。他們兩人於2004年製成石墨烯材料，透過他們的「二維材料石墨烯所做的突破性實驗」研究結果，石墨烯迅速成為物理學和材料學的熱門話題，這種形式的碳更被推崇將成為下個世代的超級材料。因此，2010年的諾貝爾物理獎就由這兩位學者共同獲獎。

什麼是石墨烯（graphene）?

石墨烯（Graphene），又稱單層石墨，是一種由碳原子以sp2混成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。它是以碳的一種存在形式，幾乎透明，卻極為緻密，厚度僅有一個碳原子，是目前世界上最薄的材料。

石墨烯的硬度比鋼強100倍，延展性可達20%。由於密度極小僅0.77 mg/m2。假設有一張面積為1平方公尺的石墨烯吊床，其重量還不到1毫克而已。再加上石墨烯傳導速度比矽更快，若與塑膠混合，可望形成導體，用於輸送電子，同時具備更強的機械性能和耐熱性能。加上石墨烯的導電性與透光性良好，所以也被視為未來優良導體的最佳材料。同時，這種材料可適用觸控螢幕以及光學領域，並能催生更薄、更具靈活度且重量更輕的複合材料。

石墨烯的相關研究

而石墨烯的應用因為蓋姆（Andre Geim）和諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）創造了突破型的撕裂法而更容易為產業應用而大放異彩。透過撕裂法將石墨分離成小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然後用膠帶粘住薄片的兩側，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二，不斷重複這一過程，最終得到了截面約100微米的、只有單層碳原子的石墨烯。



關於石墨烯的相關研究，我們可以利用研究物理學必備的IOP（Institute of Physics）資料庫來查詢。好比，蓋姆（Andre Geim）發表過"From Graphene to Carbon Fibres: Mechanical Deformation and Development of a Universal Stress Sensor"、"Dissipative Quantum Hall Effect in Graphene near the Dirac Point"、"Born-Oppenheimer Breakdown in Graphene"；而諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）也發表了"Graphene under hydrostatic pressure"等的研究資料，都有助於我們一窺兩位學者在石墨烯的研究成果。



當然，透過IOP我們也可以查見到其他學者的研究成果，以石墨烯（Graphene）可以查詢到1,591筆的Full-text、2,023筆的e-prints、41筆的News and analysis等豐富的研究資料與成果，可見石墨烯在物理學領域的研究已經逐漸成為備受關注的研究主題。




飛資得 咱e報現在，石墨烯已被證實是世界上最薄也最堅固的材料，既強韌又可撓，而且具備良好的導熱與導電性。這些獨一無二的特性，使得石墨烯在微電子領域具有巨大的應用潛力。

石墨烯傳導速度比矽更快，可作為導體，應用於電腦製造，可提升電腦運作速度，也可用作太陽能電池或觸控螢幕的透明電極。另外，石墨烯看作是矽的替代品，能用來生產未來的超級電腦、功能更大的手機、更輕的飛機、透明觸控螢幕、超級防彈衣可能都要靠它。 (圖片來源:聯合報)因此，石墨烯被普遍認為會最終替代矽，從而引發電子工業革命，成為這個世紀最備受矚目的超級材料。

蓋姆（Andre Geim）與諾伏西羅夫（Konstantin Novoselov）在IOP發表的文獻：
  1. Berry, M. V. and A. K. Geim (1997). "Of flying frogs and levitrons." European Journal of Physics 18(4): 307.from http://stacks.iop.org/0143-0807/18/i=4/a=012
  2. Beton, P. H. and et al. (1994). "Resonant tunnelling quantum dots and wires: some recent problems and progress." Semiconductor Science and Technology 9(11S): 1912.from http://stacks.iop.org/0268-1242/9/i=11S/a=010
  3. Carmona, H. A. and et al. (1994). "Universal conductance fluctuations in a multi-subband quantum well." Journal of Physics: Condensed Matter 6(27): 5129.from http://stacks.iop.org/0953-8984/6/i=27/a=021
  4. Christian, D. A. and et al. (2005). "Barkhausen effect in a garnet film studied by ballistic hall micromagnetometry." Journal of Physics: Conference Series 15(1): 125.from http://stacks.iop.org/1742-6596/15/i=1/a=021
  5. Christian, D. A. and et al. (2005). "Ferromagnetic domain wall on nanometer scale." Journal of Physics: Conference Series 17(1): 101.from http://stacks.iop.org/1742-6596/17/i=1/a=016
  6. Eduardo, V. C. and et al. (2010). "Electronic properties of a biased graphene bilayer." Journal of Physics: Condensed Matter 22(17): 175503.from http://stacks.iop.org/0953-8984/22/i=17/a=175503
  7. Mikhailov, G. M. and et al. (2000). "The edge and bulk electron state dominated magnetotransport in multi-terminal single-crystalline refractory metal nanostructures." Nanotechnology 11(4): 379.from http://stacks.iop.org/0957-4484/11/i=4/a=337
  8. Othaman, Z. and et al. (1993). "Unambiguous identification of X-point-related resonances in GaAs/AlAs/GaAs tunnel diodes under hydrostatic pressure." Semiconductor Science and Technology 8(7): 1483.from http://stacks.iop.org/0268-1242/8/i=7/a=047
  9. Xin-Qi, L. and et al. (1997). "The Hall effect of an inhomogeneous magnetic field in mesoscopic structures." Journal of Physics: Condensed Matter 9(38): 8065.from http://stacks.iop.org/0953-8984/9/i=38/a=012
  10. Yu, E. L. and et al. (2008). "Collective electron phenomena and electron transport in graphene Scientific Session of the Physical Sciences Division of the Russian Academy Of Sciences (27 February 2008)." Physics-Uspekhi 51(7): 727.from http://stacks.iop.org/1063-7869/51/i=7/a=M00
資料庫：IOPscience Extra
  • 出版社：Institute of Physics
  • 內容屬性：電子期刊
  • 適用對象：物理系、材料科學系、數學系、生物科技學系、電子電機工程學系、機械工程學系、
  • 試用申請：products@flysheet.com.tw
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特約作者 | Nicky 提供
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