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2015-09-01全平面一族引領風潮的半導體材料
549 期
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高憲章／任職於淡江大學化學系，負責「化學遊樂趣」計畫，隨一台行動化學車全臺跑透透，說故事作實驗分享化學給學生們。
一塊石墨、一個石墨烯電晶體和一卷膠帶，這是由2010年諾貝爾物理獎得主海姆（Andre Geim） 和諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）捐贈給諾貝爾博物館（圖一）的紀念。石墨烯這個全平面、透明的良好導體，被神奇的以膠帶製備出來後，在半導體產業界掀起一陣風潮，而科學家們希望能夠找到更多類似石墨烯的材料。
圖一：只要用一塊石墨和一卷膠帶，就能製備出石墨烯。
膠帶與半導體
石墨烯是碳原子以石墨的方式排列，但僅以平面單原子層的狀態存在，是目前世界上最薄的一種材料（圖二）。石墨烯具有許多夢幻般的性質，從鍵結的觀點來看，碳原子以sp2混成軌域鍵結，碳與碳之間的鍵長為1.42 Å，鍵角120度，呈現蜂窩狀的平面結構，只有奈米等級的厚度，雖然薄但是因碳—碳間是共軛雙鍵所以比鑽石還硬，只會吸收2.3%的光，所以呈現幾近透明的樣貌。在常溫下，石墨烯的電阻比銅或銀還低。石墨烯具備許多特殊性質，這些特質在我們用鉛筆寫字的時候，就被我們不經意地製作出來。在過去，這些石墨烯的碎片隨意散落在紙上，從來都沒人注意到這堆細微的粉末，直到海姆和諾沃肖洛夫的驚人發現，才引發了全世界科學家們的研究熱潮。這個材料從過去的極度昂貴，到現在我們已可用相對低廉的成本，製作出大面積的石墨烯薄膜。
圖二：石墨烯的分子結構。(wiki)
現今，石墨烯被應用在各產業上。但是石墨烯也有缺點，就是不具有能隙（Bandgap）。 能隙是半導體材料中導帶和價帶的能量差，是重要的電子特性。 ……【更多內容請閱讀科學月刊第549期】