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新
100 KANG SI 第一期 vol.1
物理
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「物」以「烯」为贵—
2010年诺贝尔物理学奖:石墨烯的探讨
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牛刀小试
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康熹物理报报
「物」以「烯」为贵—
2010年诺贝尔物理学奖:石墨烯的探讨
新北市立安康高级中学 朱晋杰老师
前言
2010年10月5日,本届诺贝尔物理学奖出炉了,瑞典皇家科学院将此殊荣颁给了安德列海姆 (Andre Geim)与康斯坦丁诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)两位物理学家,表彰他们在石墨烯 (graphene,又称单层石墨)材料所做的开创性实验研究成果. 他们研究初期的工具只是一些透明胶带和普通铅笔,且其研究成果在不到6年内就获奖,而其中得 主之一的诺沃肖洛夫教授年仅36岁,中研院物理所所长吴茂昆表示「有点意外」. 半个多世纪以来,电脑始终遵循著「摩尔定律」(Moore's Law),根据其定律,一个晶片能容纳 的电晶体数目,大约每18个月就会增加一倍,这解释了现代各种装置的核心晶片的处理速度与记忆容量 快速成长的原因. 摩尔预测这个定律能持续到1970年代中期,但迄今还依循这个定律,但不会维持太久.根据最悲 观估计,最快2015年,矽与其他现有材料的工程师,就会碰上微缩(miniaturisation)定律的限制,当 有太多回路塞进一个太小空间时,就会导致温度升高,造成效率受阻,但石墨烯的出现可以解决这个棘 手的问题,这也就是这个研究能获奖的重要关键. 诺贝尔物理学奖评审委员会在其网站上描述石墨烯的科学意义时说,一张面积一平方公尺的石墨 烯吊床,肉眼是几乎看不见的,却能承受一只4公斤重的猫,而吊床本身的重量比猫的一根胡须还要轻 (图一).
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图一:石墨烯的尺度与在石墨烯吊床上的猫
委员会表示,石墨烯不仅「最薄,最强」,其导电性能类似金属铜,导热性能更超越所有已知材 料,并预期,石墨烯与塑胶的复合材料,可以凭藉其韧性,制造出「新型超强材料」,兼具超薄,超柔 和超轻的特性,以后的卫星,飞机和轿车可以用这类材料制造.
师生联手做研究
安德列海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫年龄相差一代,背景和经历却如同翻版,两人都原籍俄罗 斯,毕业於莫斯科物理学科技大学,先后在荷兰进行研究,最后落脚英国曼彻斯特大学(University of Manchester),共同研究石墨烯. 诺沃肖洛夫起初是海姆的博士班学生,后来追随海姆迁至英国,两人目前皆於英国曼彻斯特大学 担任教授.他们相信「好玩」的重要性,因为玩的时候,总会学到些什麼 也许就像他们玩的石墨烯, 2004年10月,他们发表在美国《科学》杂志上的一篇论文获得了这一份验证. 科学家曾在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究,但在此后很长时间里,制取单
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层的石墨烯的工作一直没有成功,有人认为这样的二维材料 是不可能在常温下稳定存在的. 碳在石墨结构中具有导电特质,几年前两人研究石墨的 导电性时,因为需要使用较薄的石墨,於是用锉刀挫下来, 但获得的石墨屑达不到实验的目的,於是他们改用胶带从石 墨上粘下薄片,这样的薄片仍然包含许多层石墨烯.但反覆 粘上十到二十次之后,薄片就变得越来越薄,这个方法甚至 被称为「Scotch method」(Scotch是一种胶带的名称)(图 二),其中部分样品即为仅由一层碳原子构成的单层石墨薄 膜. 两位科学家的贡献除了在於使用的「方式」特殊,是其 他科学家即便利用高技术的原子显微镜都做不出来的之外, 利用单层石墨薄膜,也让原本仅在摄氏零下两百度才能看见 的「量子霍尔定律」,首度在常温下就可看到. 这个看上去非常简单,一点也不高科技的方法,并不是 由他们首创,在此之前就有人试过,但没能辨识出单层石墨 烯而作罢.海姆他们将剥离下来的薄片放在氧 化矽基板上, 利用光的「干涉效应」使薄片在显微镜下呈现彩色条纹,而 观察到了具单层特质的石墨烯.
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图二:Scotch胶带
本届的两位物理诺贝尔得奖者的资料如下:
安德列海姆(1958—) (现年51岁)(图三)—荷兰公 民,生於索契(Sochi),1987 年於俄罗斯科学院固体物理学研 究所获得博士学位.曼彻斯特微 观科学和奈米技术中心主任,兰 沃锡物理教授,英国曼彻斯特大 学教授,皇家学会2010年纪念院 士.

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