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石墨烯(Graphene)
❐ 種類與特性
石墨是由碳原子鍵結而成的「塊材(Bulk)」，其結構是在三維空間中的X軸、Y軸、Z軸都可以無限延伸，但是石墨的原子結構很特別，是由層狀的結構組成，如果我們將石墨一層層的剝離就可以得到二維的奈米薄膜，由單層的碳原子組成，我們稱為「石墨烯(Graphene)」，石墨烯是由碳原子形成只有一層原子的平面(好像一張紙)，碳原子與碳原子形成蜂巢狀的六邊形結構，如＜圖一(a)＞所示，如果我們用電子顯微鏡放大可以看到如＜圖一(b)＞所示，就是一層薄薄的材料。
圖一 石墨烯的原子結構與電子顯微鏡照片。
資料來源：By Дагесян Саркис Арменакович (CC BY-SA 4.0) via Wikimedia Commons。
❐ 碳的同素異構體
「同素異構體(Allotropy)」是指由同一種化學原子構成，但是結構形態(原子的排列方式)不同的物質，由於結構不同，物理性質與化學性質上也有差異。基本上烤肉用的木炭、工業用的石墨、光彩耀眼的鑽石，和奈米世界裡的石墨烯、奈米碳管等材料都是由碳原子排列組合而成，只是原子的排列方式不同而已，這裡我們簡單說明一下它們的差別：
➤木炭(Charcoal)：可能是碳原子排列混亂的「非晶(Amorphous)」，也有可能是碳原子排列局部整齊的「多晶(Poly crystal)」，沒有太大的用途，所以就拿來點火燃燒烤肉吧！
➤石墨(Graphite)：具有層狀的平面結構，每層中的碳原子與碳原子形成蜂巢狀的六邊形結構，其實就是由石墨烯一層層堆疊起來形成，但是大自然開採出來的石墨每層原子之間通常都不會排列整齊，同一層原子也不一定都排列整齊，因此屬於碳原子排列局部整齊的「多晶(Poly crystal)」。
➤鑽石(Diamond)：碳原子的「鑽石結構結晶」，如＜圖二(a)＞所示，如果圖中大顆原子是碳原子，小顆原子也是碳原子，則這塊固體稱為「鑽石」，屬於碳原子都排列得很整齊的「單晶(Single crystal)」。
➤石墨烯(Graphene)：將三維的石墨一層層剝離就可以得到二維的奈米薄膜，由單層的碳原子組成，石墨烯是由碳原子形成只有一層原子的平面(好像一張紙)，碳原子與碳原子形成蜂巢狀的六邊形結構，如＜圖二(b)＞所示，屬於碳原子都排列得很整齊的「單晶(Single crystal)」。
➤奈米碳管(CNT：Carbon Nano Tube)：二維的石墨烯是由碳原子形成只有一層原子的平面(好像一張紙)，將這一層原子捲曲起來形成一維的空心管狀物質(將一張紙捲曲起來)，如＜圖二(c)＞所示，屬於碳原子都排列得很整齊的「單晶(Single crystal)」。
圖二 碳的同素異構體示意圖。
❐ 製備方法
製備石墨烯的方法主要有兩種，一種是由三維的石墨一層層剝離就可以得到二維的石墨烯，另外一種是直接使用含碳的氣體分子沉積在基板上，這裡簡單介紹幾種常見的方法：
➤膠帶剝離法：直接使用膠帶黏貼在石墨表面，再將膠帶撕下來，不停的反覆這個動作最後就得到由單層的碳原子組成的石墨烯，2004年科學家安德烈與康斯坦丁就是使用這種方法成功的從石墨分離出石墨烯，並且證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
➤氧化剝離法：石墨是具有層狀的平面結構，因此可以使用強氧化劑使石墨的層與層之間的介面產生氧化，氧化會使石墨的層與層之間更容易剝離，氧化石墨烯可以再使用還原劑製備出石墨烯。使用這種方法目前可以製作大約2奈米(nm)的石墨烯奈米薄膜，但是不容易製作單層的碳原子組成的石墨烯。
➤碳化矽反應法：先經由氧氣或氫氣刻蝕處理單晶的碳化矽，在高真空下經由電子撞擊加熱除去氧化物，將樣品加熱使到1250~1450C去除矽原子形成石墨奈米薄膜，可以在單晶表面上分解出單層的碳原子組成的石墨烯。使用這種方法比較容易得到數百層的多層石墨烯，通常厚度由加熱溫度決定，不容易製備大面積單層的碳原子組成的石墨烯。
➤金屬表面成長法：先將碳原子加熱到1150C擴散嵌入釕金屬基板，再冷卻到850C使碳原子浮到基板，此時凸起的單層的碳原子散布在釕金屬固體表面，最後凸起碳原子慢慢擴大覆蓋在釕金屬固體表面形成單層的碳原子組成的石墨烯，第一層成長後開始成長第二層，由於高溫使得第一層的石墨烯與釕金屬基板，使第二層石墨烯與釕金屬基板完全分離，最後得到多層石墨烯奈米薄膜。使用這種方法生產的石墨烯奈米薄膜厚度不均勻，而且釕為稀有金屬價格較高，必須尋找其他金屬來代替。
➤碳奈米管切割法：奈米碳管是由碳原子形成只有一層原子的平面(好像一張紙)，如＜圖二＞所示，再由這一層原子捲曲起來形成空心的管狀物質(將一張紙捲曲起來)，因此我們可以用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多壁碳奈米管(MWCNT：Multi Wall Carbon Nano Tube)就可以得到單層的碳原子組成的石墨烯。
❐ 材料特性
石墨烯的結構非常穩定，碳原子之間經由鍵結電子以共價鍵連結，材料韌性高，施加外力時碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，因此可以維持結構穩定。此外，由於碳原子有4個鍵結電子，但是石墨烯的每一層只有3個化學鍵，代表每一個碳原子都只有3個鍵結電子和隔壁的碳原子產生鍵結，而多出來的1個電子可以自由移動，使得石墨烯的導電性佳。
石墨烯是目前世界上最薄也最堅硬的奈米材料，特性包括：透明度高，導熱性佳、導電性高、電阻低，因為導電性高、電阻低因此可以用發開發厚度更薄、體積更小、運算速度更快的新一代電子元件或電晶體。
【備註】石墨烯或奈米碳管的硬度
我們常常在許多文章裡看到所謂的石墨烯或奈米碳管「最堅硬」，會讓大家以為這是什麼神奇的材料比鋼鐵還堅硬，因此產生很大的誤解。其實在奈米的世界裡所謂的「最堅硬」，是以原子的觀點來看，簡單的說，它的意思是指以奈米的尺度來看，石墨烯或奈米碳管的碳原子與碳原子形成的結構比鋼鐵裡的鐵原子與鐵原子形成的結構還要「堅硬」，問題是石墨烯或奈米碳管都是尺寸只有100奈米(nm)以下的材料，任何材料這麼薄或這麼小，都一定硬不起來，因此以工程的角度來看，我們不可能用石墨烯或奈米碳管這種只存在於奈米世界的材料做成「塊材(Bulk)」而且還比鋼鐵「堅硬」，說穿了石墨烯或奈米碳管是奈米世界裡的材料，只能用來製作微小的電子或機械元件。
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