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到底什麼是『石墨烯』?

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石墨烯應用 圖 摘自網路

石墨烯應用 圖 摘自網路

石墨烯(Graphene),到底是什麼東西?


或許你連聽都沒聽過,它是一種被視為很可能改變未來世界的神奇材料,由於它可以應用於資訊、能源、航太、運輸、醫療等產業,具有相當大的潛力,各國學術機構以及產業界紛紛投資研發,以期搶下市場大餅。

石墨烯應用 圖 摘自網路
石墨烯應用 圖 摘自網路

石墨烯是由碳原子組成,形狀如六角形蜂巢晶格的平面薄膜,僅一個碳原子那麼薄,若把20萬片石墨烯薄膜疊在一起,也只有一根髮絲那麼厚。它是目前世界上已知最薄、最堅硬、電阻率最小的奈米材料(1奈米等於10億分之1米)。同樣1平方米, 石墨烯膜比1張紙輕1,000倍,強度是鋼的200倍,導電性優於銅10倍、高於矽200倍。比橡膠更有彈性,有如皮膚,吸光率僅2%,透明度極高。假如你手上拿一片石墨烯,你會發現它平到無可挑剔,透明又薄如紗,令人驚艷。

石墨烯應用 圖 摘自網路
石墨烯應用 圖 摘自網路

這些讓其他材料相形失色的物理特質使得石墨烯別具魅力,前景看好,成為與5G(第5代行動通訊)與AI並列為21世紀熱門的新科技,每年有關石墨烯的論文多達6萬篇,全球不管大企業或小型創投公司都想參一腳。據悉,英特爾、蘋果、IBM、三星、華為、鴻海等大廠,都有意利用石墨烯來創造產品優勢。

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石墨烯(Graphene)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。石墨烯從前被認為是假設性的結構,無法單獨穩定存在,直至2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在,兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;導熱系數高達5,300 W/m·K,高於奈米碳管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15,000 cm2/V·s,又比奈米碳管或矽晶體(monocrystalline silicon)高,而電阻率只約10-6 Ω·cm,比銅或銀更低,為目前世上電阻率最小的材料。由於它的電阻率極低,電子的移動速度極快,因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。石墨烯實質上是一種透明、良好的導體,也適合用來製造透明觸控螢幕、光板,甚至是太陽能電池。石墨烯另一個特性,是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應。

電子顯微鏡下石墨烯薄片
電子顯微鏡下石墨烯薄片

 

石墨烯應用在哪方面?

積體電路

石墨烯具備作為優秀的積體電路電子元件的理想性質。石墨烯具有高的載子遷移率(carrier mobility),以及低雜訊,允許它被用作在場效應電晶體的通道。問題是單層的石墨烯製造困難,更難作出適當的基板。

根據2010年1月的一份報告中,對SiC磊晶生長石墨烯的數量和質量適合大規模生產的積體電路(積體電路)。在高溫下,在這些樣品中的量子霍爾效應可以被測量。另請參閱IBM在2010年的工作的電晶體一節中,速度快的電晶體’處理器’製造了2-英寸(51-公釐)的石墨烯薄片。

2011年6月,IBM的研究人員宣布,他們已經成功地創造第一個石墨烯為基礎的積體電路(積體電路)-寬帶無線混頻器。電路處理頻率高達10 GHz,其性能在高達127℃的溫度下不受影響。

石墨烯應用 圖 摘自網路
石墨烯應用於積體晶片上 圖 摘自網路

海水淡化

研究表明,石墨烯過濾器可能大幅度的勝過其他的海水淡化技術。由於石墨烯是一個平面結構,所以它具有很大的面積體積比,這使得石墨烯擁有很大的吸附能力,有些雜質就可以吸附到石墨烯的表面。

太陽能電池

南加州大學維特比工程學院的實驗室報告高度透明的石墨烯薄膜的化學氣相沉積法在2008年的大規模生產。在這個過程中,研究人員創建超薄的石墨烯片,方法是在甲烷氣體中的鎳板上,由首先沉積的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然後,他們在石墨烯層之上鋪一層熱塑性保護層,並且在酸浴中溶解掉下面的鎳。在最後的步驟中,他們把塑料保護的石墨烯附著到一個非常靈活的聚合物片材,它可以被納入一個有機太陽能電池(石墨烯太陽能光電電池)。石墨烯/聚合物片材已被生產,大小範圍在150平方公分,​​和可以用來生產靈活的有機太陽能電池。這可能最終有可能運行能覆蓋廣泛的地區的廉價太陽能電池,就像報紙印刷機的印刷報紙一樣(卷到卷, (roll-to-roll))。

2010年,李新明和朱宏偉等人首次將石墨烯與矽結合構建了一種新型的太陽能電池。在這種簡易的石墨烯/矽模型中,石墨烯不僅可以作為透明導電薄膜,還可以在與矽的界面處分離光生載子。這種可以與傳統矽材料結合的結構,為推動基於石墨烯的太陽能光電元件開闢了新的研究方向。

抗菌物質

中國科學院上海分院的科學家發現石墨烯氧化物對於抑制大腸桿菌的生長超級有效,而且不會傷害到人體細胞。假若石墨烯氧化物對其他細菌也具有抗菌性,則可能找到一系列新的應用,像自動除去氣味的鞋子,或保存食品新鮮的包裝。

抗癌治療

氧化石墨烯,石墨烯的衍生化合物,被認為可以應用在癌症的治療上。其原理是氧化石墨烯能夠辨識癌細胞與正常細胞電子密度的不同,進而附著在癌幹細胞上,使其能被標靶藥物所作用,達到抑止腫瘤遠端轉移的效果。這突破性的發現,能夠補足傳統化學治療和放射治療只能殺死分化後癌細胞的缺點,預期能達成更高的治療反應率與病患存活率。目前該團隊經實驗證明氧化石墨烯能夠抑制6種癌症(乳癌、胰臟癌、腦癌、肺癌、卵巢癌、攝護腺癌)之腫瘤球(tumour sphere)形成,因而能抑止其擴散。當前氧化石墨烯尚在研究階段,期待將來經過層層臨床試驗後,能夠為現今抗癌治療帶來一線曙光。

超級電容器

由於石墨烯具有特高的表面面積對質量比例,石墨烯可以用於超級電容器的導電電極。科學家認為這種超級電容器的儲存能量密度會大於現有的電容器。

其他閱讀:科學家研發「石墨烯硬碟」,可以將資料儲存密度提高 10 倍!

 

資料來源: 維基百科

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