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By Kendra Snyder, April 2, 2010
(PhysOrg.com) -- 藉由控制石墨烯（graphene，一種相對「新型」的碳，厚度只有一個原子）的層層生長，Brookhaven National Laboratory 的研究者發現關於這種材料優異光、電特性的有趣細節。他們的發現能幫忙將石墨烯定位為未來電腦、數位顯示器與電子感應器的次世代材料。
"石墨烯是一種材料，那真的有潛力能取代電子業中的矽，" Peter Sutter 表示，一位 Brookhaven 功能性奈米材料中心的材料科學家。"它很薄、透明、強健，且具高度傳導性 -- 對於電腦晶片到觸控螢幕以及太陽能電池的每樣東西，那全都是非常具有吸引力的特性。"
研究者所面臨的最大挑戰之一是，想出如何大量製造石墨烯的方法。最簡單的方法是利用一小塊膠帶，從石墨（一種由許多層石墨烯所組成的材料）剝下單層石墨烯。不過這種方法只能產生非常小、有缺口的薄片，那對於絕大多數應用來說沒有用處。
在 Brookhaven，Sutter 在金屬表面上生長石墨烯，這種技術能在很大的面積上製造單層薄片，比「膠帶法」所製成的要大數千倍。首先，釕的單晶被加熱到超過攝氏 1000 度以上，同時將之暴露在富含碳的氣體中。在高溫下，碳原子能擠入金屬結晶體內的空間，類似水被海綿吸取。當結晶體慢慢冷卻時，這些碳原子被排到金屬表面，在此它們形成單層的石墨烯。石墨烯形成的「層數」可透過最初被吸入釕結晶體中的碳原子數量控制。
"這種方法的獨特觀點之一是，我們能控制這種材料的厚度，一層又一層地生長石墨烯，" Sutter 說。"當單一碳原子層被添加到基質時，使我們能同時看見這種材料的結構與電特性如何變化。"
因為研究小組想測定金屬基質如何影響石墨烯的特性，故在材料生長時監控成層材料的特性很重要 -- 此能力是由一具位於 NSLS beamline U5 的特殊顯微鏡所提供。
"首先，我們能觀察這種材料如何生長，接著，無需在此系統內移動它的狀況下，我們能開啟光子束並確定其電子結構，" Stutter 說。"在同樣環境下做任何事，極具價值。"
為了測量具不同層數的石墨烯薄片材料，該小組使用維角解析光電子能譜術（micro-angle-resolved photoelectron spectroscopy），這種技術讓研究者能研究非常小之關注區域的電子結構。
他們的發現，發表在 2009/7/8 當期的 Nano Letters 上，令人驚訝。
"我們發現如果單一石墨烯薄膜生長在像釕這樣的金屬上時，金屬與碳原子的結合會非常強健，並擾亂一般可在孤立的石墨烯中發現的特色特性，" Sutter 表示。"但是當後續的石墨烯層在基質上生長時，這些特性再度浮現。"
換言之，生長在釕上的第一層石墨烯滿足了此金屬基質，讓其餘各層能夠重獲其一般特性。
"這種生長過程會產生這樣的結果：二層的堆疊，作用如同單層的石墨烯，而三層的堆疊作用如同孤立的雙層，Sutter 說。"
該小組（那亦包含 Brookhaven 研究者：Mark Hybertsen, Jurek Sadowski, 與 Eli Sutter）的這些發現，為將來用於先進技術的石墨烯製造立下了基礎，並幫助研究者了解金屬 -- 例如裝置中的接觸 -- 如何改變石墨烯的特性。
※ 相關報導：
＊ Electronic Structure of Few-Layer Epitaxial Graphene on Ru(0001)
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl901040v
P. Sutter, M. S. Hybertsen, J. T. Sadowski and E. Sutter＊ 科學家在銅上創造大面積石墨烯
Nano Lett., 2009, 9 (7), pp 2654–2660
Publication Date (Web): June 8, 2009
doi: 10.1021/nl901040v
＊ 鉛筆心+膠帶 抱走諾貝爾物理獎
＊ 相機閃光讓絕緣材料變導體（石墨烯）
＊ 物理學家移除石墨原子創造出「碳磁性」
＊ 研究者：聲波或能冷卻微電子裝置
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