2010年諾貝爾物理獎介紹-石墨烯graphene「完美二維系統」
Andre Geim (左)和 Konstantin Novoselov(右)
2010的諾貝爾物理獎頒給了兩位英國曼徹斯特大學的物理學家,Andre Geim和Konstantin Novoselov。他們獲獎的原因,除了成功地製造了「傳說中的」二維[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=材料]材料[/url],也為實驗手法開創了一種全新的思維,奈米級的樣品竟然可以用在平凡不過的3M膠帶備製!他們不僅實現了理論中完美的二維系統,也帶出這個系統中各種獨特又迷人的物性。他們第一篇相關的論文在2004年發表,到去年得獎,也僅短短七年的時間。而相關的論文數目,也在這七年之間呈現指數型的成長[圖2.],可見石墨烯在科學界受到重視的程度。
石墨烯是蜂窩狀的單層碳結構,如圖3 所示。早在1947年,P. R. Wallance編寫的固態物理教科書中,已經出現石墨烯的理論計算,但是單層[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=原子]原子[/url]的二維結構會因為熱擾動變得很不穩定,學界甚至懷疑它無法單獨穩定存在。不過仍有科學家嘗試製造它,只是成果都不如預期。直到2004年,Geim團隊辦到了!他們使用3M膠帶,剝離出單獨且穩定的石墨烯,並放在有特定厚度氧化矽的基板上,利用光學干涉的方式辨識出單層的石墨烯。令學界感到驚訝的是,這個奈米級的產物,竟然在一點都不「奈米」的方法中誕生了。
Graphene is an atomic-scale honeycomb lattice made of carbon atoms.
圖4. 為[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=原子]原子[/url]力顯微鏡所取得的石墨烯表面形貌圖。單層的石墨烯其[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=原子]原子[/url]層厚度約為0.35 nm。但由於在大氣下水膜的影響,所測得的高度都略高於此值。利用機械剝削法的方式雖然可以得到乾淨純的石墨烯片,但是缺點為石墨烯的大小都約為10~100 σm左右。石墨烯的製造方式除了利用剝削法外,其它的可製造大面積的薄碳膜製方式陸續也被研究。例如將碳化矽(SiC) 加熱到1300℃退火時,此時碳將稀出於基板表面形成一薄碳膜,或是利用化學氣相[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=沉積]沉積[/url]法(CVD),將甲烷(CH4)於氫氣氣份下於溫度約1000℃以上裂解[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=沉積]沉積[/url]於銅或是鎳的表面。目前使用CVD方式已經可成長面板尺寸的大小的碳薄膜,提高了其未來應用性。
石墨烯的電子結構可以看成六對互相倒立的角錐如圖5。在沒有任何摻雜的情況下,費米[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=能階]能階[/url]位在導帶與價帶間連接的點,在這個點上的電子有效質量等於零,[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=速度]速度[/url]是光速的300分之1。1984年,G. W. Semenoff用Dirac方程式描述佔據這個態的電子,也因此以這個點被稱為Dirac點。沒有質量的費米子在垂直入射[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=電位]電位[/url]障時,可以完全穿透(Klein tunneling)。值得注意的是,在沒有載子傳輸的情況下,石墨烯仍有一個最小的導電率σ=e2/h。石墨烯的電阻值會隨著外加垂值電場的變化而改變,稱為ambipolar field effect。例如圖6,利用改變閘極電壓來調控外加垂直電場的大小,可以發現在某個閘極電壓值時石墨烯有一最大的電阻值,當改變閘極電壓大於此值時石墨烯為電子參雜,當小於此值時為電洞參雜。所以可用閘極電壓的來控制石墨烯為N型或是P 型[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=半導體]半導體[/url],甚至可將它的能隙打開。而量子霍爾效應也可以在它完美的二維系統中展現,甚至可以在室溫中觀察到量子化的霍爾電阻與SdH震盪。
石墨烯其載子遷移率在理論上因受到聲學聲子的限制在載子密度n=10-12cm-2下其載子遷移率為μ=200,000cm2V-1S-1。其層數較多的石墨稀其塊材導電度約為0.96×10-6 Ω-1cm-1稍微大過於銅的導電度0.6 x106 Ω-1cm-1。在熱導方面也具有良好熱傳導能力約為5000Wm-1K-1,大約高過於在室溫下銅(401 Wm-1K-1)的10倍。石墨烯具有良好的透光特性,單層的石墨稀對於可見光波長的吸收大約只有2.3%。
因石墨稀它是個薄膜、機械結構又強壯、光穿透度又高並且又是個可撓式導體。且導電度可透過化學參雜或是電場控制的方式來調控,並且其載子遷移率也相當大。在未來可取代現有的Indium-Tin-Oxide (ITO) 等透明導電薄膜,可應用於[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=太陽能]太陽能[/url],顯示器面板上。並且在應用於氣體偵測器上也有相當的潛力。是故石墨烯的發現除了帶來了在二維[url= http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?tag=材料]材料[/url]的物理特性研究上有更進一步的突破,並可作為未來光電等元件新的應用方向,所以其發現對人類的生活與科學有很大的貢獻。
參考資料:
1. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/.
2. A. H. C. Neto, Materialstoday 13, 1 (2010).
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene.
4. K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, and A. K. Geim, PNAS 30, 10451 (2005).
5. “Scientific Background on the Nobel Prize in physics 2010,” The Royal Swedish academy of sciences, 5 October (2010).
6. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).