單層原子的二維(平面)結構是不穩定的，因為熱擾動會使單層中的原子上下移動造成原子間重新鍵結，而形成較穩定的三維結構

。

在70多年前，有些科學家從熱力學理論

的觀點

，認為單層原子的二維(平面)結構是不穩定的，因為熱擾動

會使單層中的原子上下移動

，造成原子間重新鍵結，而形成較穩定

的三維結構。

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陳美妃

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(02)2299-9110

民國

98年11月

􀀘􀀘􀌈􀼚

􀀘􀀘􀌈􀼚世界上最薄的材料-- 石墨烯

台灣師範大學化學系/洪偉修教授

單層的碳原子緊密規則排列

，碳原子間以sp2軌域互相鍵結形成

六角碳環

，然後延伸形成如蜂巢似的二維平面結構(圖一)，被稱為

石墨烯

(graphene)。在即將實施的高中基礎化學新課綱『物質的構造

與特性』，也提到了相關的內容。

石墨烯的結構概念在很久前就已經存在

，但長久以來科學家對

石墨烯存在的可能性存疑

。在70多年前，有些科學家從熱力學理論

的觀點

，認為單層原子的二維(平面)結構是不穩定的，因為熱擾動

會使單層中的原子上下移動

，造成原子間重新鍵結，而形成較穩定

的三維結構

。後來的實驗也顯示薄膜的熔點隨厚度變小而降低，當

厚度低於數十個原子層時

，薄膜變成不穩定，這結果更加強了單層

原子結構不穩定的論點

，因此二維平面原子層一直被視為是三維結

構中的一部份

，無法單獨穩定存在。石墨烯一直被認為是假設性的

結構

，用於描述一些含碳的物質，例如石墨被視為由多層石墨烯所

堆積組成的三維晶體

；另外，一般所熟知的巴克球(例如碳六十)和

奈米碳管也被形容為是由石墨烯所捲曲而成的物質

(圖二)。

儘管如此

，科學家仍然努力嘗試製備石墨烯，最初的方法是計畫能直接將石墨的層狀結構分

開而獲得石墨烯

，例如利用化學方法將分子或原子嵌入於石墨層內，使石墨層之間距離增加，然

後分離為原子單層的石墨烯

，但是經過多年的努力，其進展仍是有限，這種方法僅能得到與濕煤

圖一 石墨烯的平面二維結構

圖二 巴克球、奈米碳管和石墨被

視為石墨烯的衍生物質

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這個成功製備石墨烯的研究結果

，迅速推動許多科學家開始研究石墨烯的特性。研究結果顯

示石墨烯具有許多不尋常的性質

，例如石墨烯薄膜堅固易脆，但又可以曲折，兩個性質似乎互相

矛盾

；氣體無法穿透石墨烯薄膜；石墨烯層的導熱系數高達5300 W/m•K，比奈米碳管和金鋼石

好

，且其大小隨溫度升高而縮小，與任何其他物質的熱脹冷縮的性質不同；在室溫下，石墨烯的

電子遷移率

(electron mobility)超過15000 cm2/V•s，比奈米碳管(約10000 cm2/V•s)高，更是矽晶(1400

cm

2/ V•s)的10倍以上；其電阻為約10 6 Ω•cm，比銅或銀金屬更低，是目前所有已知材料中，在

室溫下具最低電阻的材料

，導電密度是銅的一百萬倍；石墨烯兼具金屬和半導體的性質，如一般

目前常用的半導體材料

，可以摻入不同的氣體，形成n-型或p-型的半導體，若加熱可以去除其摻

入的氣體

，回復原來的石墨烯。

利用膠帶剝開石墨所獲得的石墨烯

，其大小一般小於1釐米，並且需要有相當經驗的人員，

才能在光學顯微鏡下尋找出石墨烯薄片

，因此曼徹斯特大學研究團隊中的一些具有此項專門技術

的成員

，最近組成了“石墨烯工業公司(Graphene Industries)”，但僅能專門提供石墨烯做為研究

目的使用

，無法滿足工業應用所需大量的石墨烯。

在大規模量產的需求下

，美國普林斯頓大學的研究團隊發展出更有效的化學剝離法，可以

大量製造石墨烯

。將石墨經強酸處理後形成石墨氧化物，會使石墨內的石墨烯平面上形成氫氧或

環氧的官能基

，當其受熱(1100 ℃)後產生劇烈膨脹，因為加熱石墨氧化物時，官能基會分解產生

二氧化碳氣體

，在石墨層間產生膨脹的壓力，當石墨層內的壓力超過石墨層間的凡得瓦力作用力

時

，可以強行剝離石墨晶體的層狀結構，其和爆米花的原理很相近。此研究團隊可以均勻氧化石

墨

，使石墨層內的平面包覆一層完整的氫氧或環氧官能基，經加熱後石墨層可高度剝離，便能獲

得大量的石墨烯

。目前此技術已授權於Vorbeck Materials公司，可供應大量的石墨烯，目前已有一

項產品稱為

Vor-ink™圖四)，為含有石墨烯的懸浮液，可作為電路板的印刷塗料。近期與BASF化

灰類似的石墨粒子泥漿

。因此科學家也另外嘗試簡單原始的機械方

法

，例如利用磨擦或刮除的方式，慢慢除去石墨的上層表面，逐漸

減小石墨的厚度

，雖經研究人員的許多努力，也僅能製得透明的石

墨薄片

，仍然不是單層碳原子厚度的石墨烯。直至 2004年，英國

曼徹斯特大學

A. K. Geim教授研究團隊利用膠帶剝離的方法，終於

獲得單層的石墨烯

，證實石墨烯的真實存在。

Geim

教授的研究團隊將石墨薄片黏貼在一片膠布上，用另一

片膠帶黏貼石墨薄片的另一面

，再將兩片膠帶撕開時，會將石墨剝

離成兩片更薄的石墨薄片

，把這得到的石墨薄片再黏貼膠帶然後再

撕開

，重覆經過這個相當簡單的膠帶剝離步驟數次，製得很薄的石

墨薄膜

，終於能夠獲得小片單層原子厚度的石墨烯，經過處理後可

將石墨烯薄膜從膠帶取下

。圖三(a)是石墨烯薄膜放置在細小的金

絲做成的網子上

，在電子顯微鏡下的放大影像。而圖三(b)是石墨

烯的穿透式電子顯微鏡影像

，顯示石墨烯薄膜中的碳原子排列具高

次序性

，更確實直接證明石墨烯的平面晶體結構，在室溫下能夠相

當穩定存在

。

圖三

(a) 石墨烯的電子顯微鏡影像

圖三

(b) 高解析度的電子顯微鏡顯

示石墨烯上碳原子的規則

排列

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3

學品公司進行聯合研究計畫

，發展石墨烯在電子工

業的應用

。

由於石墨烯具有比矽更佳的導電性質

，將來可

能成為在電子元件中導電通道

(conductive channel)

的材料

，目前曼徹斯特研究團隊已將石墨烯應用於

電子元件的製作

(圖五)，可以製作出目前最小電晶

體

(圖六)。美國IBM公司也利用重疊2層的石墨烯，

成功製造了新型晶體管

，大幅降低奈米元件特有的

雜訊

，使其操作頻率(速度)可達26億赫茲(GHz)以

上

，將來可應用於通訊系統上。

南韓的研究人員發展出化學沉積的方式

，在金

屬

(例如鎳)的表面製作公分級大小的石墨烯，然後

利用蝕刻液除去金屬

，獲得到單層的石墨烯後，可

將其轉移至不同材料的基板上

，再進行電路結構的

製程

。若搭配柔軟的高分子材料基板 (圖七)，能應

用於製作可捲曲的顯示器或太陽能板等

。

電子的運動行為一般可以薛丁格方程式描述

，

但實驗的結果顯示

，電子在石墨烯中的移動比一般

狀態下的電子更迅速

，其行為較適合以狄拉克方程

式描述

，這表示電子在石墨烯中的性質與無質量的

粒子相似

，似乎具有一些奇特的相對論性質，因

而吸引了物理學家的興趣

。原先被認為僅能在加速

器或黑洞中

，才可以驗證相對論的量子電動力學理

論

，現今石墨烯提供了另一個簡單且低花費的實驗

系統

。

除了上述的方法外

，研究人員持續發展其他

合成方法和應用

，嘗試利用化學方法修飾石墨烯的

結構或性質

，使其具更廣泛的應用性。例如發展一

個方法能夠以製造公分級大小的石墨烯樣品

，能製

作大型的電路元件

；或利用化學反應將石墨烯修飾

不同官能基後

，能穩定分散於極性非質子溶劑中，

使其可與有機聚合物緊密混合

，製備電導聚合物；

或將石墨烯氧化後

，可以製成具柔軟、堅軔、透明

的絕緣〝紙張〞

，與未處理的石墨烯製成的〝紙

張〞為多孔性

、易碎、不透明的導體，兩者性質截

然不同

(圖八)。

圖五 石墨烯可用於製作電晶體元件

圖六 石墨烯薄膜製成的單電子電晶體，在圖中間

的石墨烯點為量子點，僅讓電子一個接一個

流進流出，兩端經由奈米線連接較寬的石墨

烯和金屬電極

圖四 石墨烯塗料

Vor-ink™使用於可印刷導線於捲

曲的基板上

圖七 石墨烯置在可彎曲的高分子基板上製作成的

電路

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圖一

http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2007/Nov/gap.html

圖二

A. K. Geim et al., Nature Materials, 6, 2007, 183-191.

圖三

(a) http://onnes.ph.man.ac.uk/nano/Images_small/Free%20Hanging%20Graphene.jpg

(b) J. C. Meyer et al., Nature, 446, 2007, 60-63.

圖四

http://www.vorbeck.com/electronics.html

圖五

http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/7352464.stm

圖六

http://www.sciencedaily.com/releases/2007/02/070228170340.htm

圖七

http://www.sciencenews.org/view/access/id/39865/title/Graphene_from_gases_for_new,_bendable_

electronics_

圖八

A. K. Geim, “Graphene: Status and Prospects”, Science, 324, 2009, 1530-1534.

1. A. K. Geim,

“Graphene: Status and Prospects”, Science, 324, 2009, 1530-1534.

2. K. S. Novoselov,

“Electric field effect in atomically thin carbon films”, Science 306, 2004, 666–693.

3. M. Jacoby, Graphene: Carbon as thin as can be

”, Chem.& Eng. News, 87, 2009 12-20

4. A. K. Geim and K. S. Novoselov, The rise of graphene, Nature Materials, 6, 2007, 183-191.

5. R. Colin Johnson, Carbon could enable fastest chips, EE Times, 2008.

6. http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2007/Nov/gap.html.

由於石墨烯有著非常不尋常的機械

、結構、電性

和其他性質

，是世界上最薄的材料，在基礎科學具有

獨特的意義和龐大的商業應用潛力

，因此很快地成為

目前科學研究的焦點

，其發展將開啟石墨烯一系列的

新應用

，將會引發另一新材料的風潮。

圖八 氧化石墨烯

(a)和石墨烯(b)製成的〝紙張〞

(a)

(b)

【參考資料】

筆者介紹

本人於

1992年獲得普林斯頓大學化學博士後，至加拿

大多倫多大學進行博士後研究

，加入John C. Polanyi教授

(1986

年諾貝爾化學獎得主)的實驗室，研究分子在材料表

面的光化學反應

，然後1994年至美國IBM公司在布魯克海

汶國家實驗室的光束線

，擔任專案研究助理，利用同步輻

射光電子能譜研究半導體表面化學

。在1995年回到台灣的

國家同步輻射研究中心從事研究工作

，於2003年加入國立

台灣師範大學化學系

。目前除了上課教書和研究外，曾參

與國際國中和高中化學奧林匹亞競賽選手的培訓工作

，因

此對中學的教學和教材

，略有心得。

目前的主要研究領域是表面化學

，利用材料分析技術

研究金屬和半導體的表面化學反應機制

。附圖是我們實驗

室利用電鍍的方法

，在電極上所製備的金奈米樹枝狀結

構

，因為分子(例如半胱氨酸)在不同晶面上具有不同的吸

附能力

，使得金原子能選擇性沿特定的方向堆積成長，形

成類似聖誕樹形狀的奈米晶體

，其可作為反應的催化劑。

圖

: (a)-(d)金奈米樹枝狀成長過程的電子

顯微鏡圖像

(e)

金原子堆積成為樹枝狀結構的示

意圖

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