鉛筆屑

Graphene（單層石墨）這名詞於 2004 年才首度正式出現，卻在近短短幾年內就紅火得刺眼。隨意 Google 一下便能發現到處有人問：究竟 graphene 是真正潛力無窮的新興材料，抑或它的風行只會像幾年前奈米碳管熱潮般曇花一現？

Graphene──「鉛筆屑」所能達到最薄的狀態。它是單原子層的蜂窩狀二維碳晶，相關製程有時可被歸類在奈米技術裡。不過，有趣的是：不像多數奈米材料必須用「長」的（growth / synthesis, deposition, ...），graphene 可以用長的，也可以「化學剝離」（chemical exfoliation）製成，甚至可以「物理剝離」（mechanical cleavage）；尤其目前科學研究市場上以物理剝離來的 graphene 佔大宗，最普遍的技術就是之前文章提過的：用膠帶黏些鉛筆屑下來，再把鉛筆屑沾到半導體基板（substrate）上。（當然，大部分的鉛筆屑會是雙層以上的原子層，物理性質與二維單層不同；要找出單層可先用電子顯微鏡篩選。）Graphene 的應用前途比奈米碳管更被看好的主因之一，就是它可以輕易的被安放在半導體或其他可用的電子裝置上。

這兩年，在 Nature、Science 這兩個最受歡迎的科學期刊上，關於 graphene 的研究發表幾乎沒斷過。擇日不如撞日（？），就以這個月 Nature 家族為例，柏克萊大學便發表了兩篇甚受矚目的 graphene 研究：一是發現將 graphene 用作為 TEM （穿透式電子顯微鏡）薄膜可以觀察到氫原子（大綱）。二是在首度以 STS （掃描穿隧能譜）探測 graphene 的實驗裡，發現其穿隧導電度大受聲子影響（大綱）。後者所用 graphene 正是沾在 SiO₂/Si 基底的鉛筆屑，所以可為 graphene 調整後閘極（矽基底）的電壓。而前者的觀察目標卻是懸架的（suspended）graphene：沒有基底，可避免基底對 graphene 的干擾（graphene 與基底相互作用下，會引進三維性質，就不是真正的「二維」了）。

Graphene 新奇的特性之一，就是它的電子/電洞的低能激發態具有相對論性無質量 Dirac 費米子的性質。在第一個 STS 實驗中，科學家們的初衷便是探究這些 Dirac 費米子行為在不同電荷密度（可由後閘極調整）下的行為。但他們卻意外發現有個能隙固定在費米能級上出現，而較高能量時的穿隧導電度因聲子作用而大大提高。

在第二個 TEM 實驗中，科學家們觀測懸架的 graphene，目的是想研究 graphene 二維晶體的失序現象；最後卻意外發現 graphene 上的「髒東西」之一──氫原子，可以被清楚看見。（在傳統 TEM 薄膜上，低原子數的元素因為對比度太低，很難被觀測到。）優秀的研究，需要完善縝密的規劃，但不少新鮮的發現，卻來自無法控制的意外。這個「髒東西」氫原子就是一個好例子。