矽是一種神奇的元素:它供應量充足、價格低廉,也相對較容易找到可搭配的其他材料,是絕佳的絕緣體,在正常處理中無毒(在這裡不討論矽塵問題)。除了這些基本特性,它是一種用途廣泛的神奇材料:可作為IC基板(雖然有較新的替代材料如GaAs,但在可預見的未來仍是矽材料的世界),可作為壓電材料產生正、逆壓電效應,也可以製作微機電系統(MEMS);我們還會經常看到矽基元件與結構在電子、先進機械、電化學和生化感測器等領域引領創新的訊息。

現在有另一種具備與矽類似特性的材料:石墨烯(Graphene);它跟矽一樣是以藏量豐富的單一元素──在這裡是碳(Carbon)──為基礎,並具有相同的材料優勢(當然,與矽不同,石墨烯具有高導電性)。碳和石墨(Graphite,即一種灰色、結晶狀的碳元素之同素異形體)長期以來一直應用於電子、機械和化學領域,可以用作電刷觸點(brushed contacts)、軸承材料、生物誘引劑(bio-attractant)和潤滑劑等多種用途。我們也知道碳還有其他型態,例如巴克明斯特富勒烯(buckminsterfullerene)──或稱巴克球(buckyball),是內含60顆碳原子的足球形狀分子,當然還有鑽石,可說是有多種面貌。

所以,石墨烯是什麼?簡而言之,它是一種單層碳原子,緊密結合於六角形蜂巢狀晶格,它是在21世紀初由英國曼徹斯特大學(University of Manchester)物理學家Konstantin Sergeevich Novoselov以及Andre Konstantin Geim分析和製造出來的,他們因此在2010年獲得了諾貝爾物理學獎(並獲頒英國爵士-Sir頭銜);石墨烯具有優異的機械特性,包括非常高的強度重量比(strength-to-weight)。

但它的用途超越了結構性材料或功能區塊(building block)的範疇,其應用廣泛,包括電池電極、光學感測器,甚至電光材料;最近的幾個應用實例清楚說明了這一點:

在感測器部分,由美國加州大學洛杉磯分校(UCLA) Samueli工程學院能源系(Department of Energy)支持的一個研究小組正在利用石墨烯、黃金和半導體製程技術開發號稱性能大幅改善的光電探測器;這種新型探測器能超越窄頻/高靈敏度或寬頻/低靈敏度探測器之間的權衡,可在很寬的頻譜範圍內工作,從可見光到紅外線,響應度範圍從0.6A/W (波長0.8μm)到11.5A/W (波長20μm)。

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圖1:UCLA工程師開發的光電探測器示意圖,在石墨烯奈米圖案(六邊形結構)和光源(粉紅色圓柱體)上有金色梳狀奈米圖案。
(圖片來源:UCLA)

在可清洗電路材料方面,由美國愛荷華州立大學(Iowa State University)領導的一個團隊結合了石墨烯和先進的雷射加工技術,開發出一種低成本、軟性、高導電和防水的電路,他們使用噴墨印表機來沉積石墨烯,然後利用快速脈衝雷射製程來處理石墨烯,即使列印表面是紙或超薄聚合物也不會受損,將石墨烯印刷電路從保持水滴的特性(親水性),轉換為排斥水(超疏水性)。

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圖2:石墨烯表面圖案(左)以及濕潤性接觸角(wettability contact angle,右)在直接脈衝雷射寫入流程之前(上面兩張)和之後(下面兩張)的對比。
(圖片來源:Iowa State University)

在高速電光調變器(electro-optical modulator)部分,美國哥倫比亞大學(Columbia University)的研究人員正在使用矽基石墨烯整合一種光學相位延遲(optical phase-delay)元件,可以嵌入波導中作為靜電調諧調變器(electrostatically tuned modulator),具有低插損和高折射率特性。

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圖3:石墨烯的電光特性。(a)隨著本質(intrinsic)石墨烯費米能階(Fermi level)變化的理論吸收率和折射率(Region I為高吸收率、Region為低吸收率);(b)構造元件的光學顯微影像(干涉儀臂偽色);(c)元件橫切面,顯示在Si3N4波導上有石墨烯-HfO2-石墨烯電容器。
(圖片來源:Columbia University)

還有在人造器官的應用方面,北京清華大學的團隊開發出了一種以雷射誘導石墨烯(laser-induced Graphene,LIG)為基礎的智慧人造咽喉,該種智慧裝置能以單一元件檢測和產生聲音;生物相容的人造咽喉附著在喉頭,以產生可識別、可控制的聲音;這種整合式聲學裝置可以根據石墨烯的熱聲效應(thermoacoustic effect)產生聲音,並根據其壓阻效應檢測聲音。

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圖4:(a)人造咽喉的運作流程;(b)測試者佩戴LIG造咽喉(1cm比例尺);(c)LIG咽喉檢測到高音量、低音量和細長音調,並分別轉換為高音量1kHz、低音量10kHz和低音量的5kHz聲音;(d)高音量10kHz聲音的放大波;(e)低音量10kHz聲音的放大波;(f)低音量5kHz聲音的放大波。
(圖片來源:北京清華大學)

上述這些研究成果會如何發展,仍是一個無法回答的問題,至少目前還不能。毫無疑問,創新通常高度仰賴超純(ultrapure)、易懂的新材料,從矽到磁碟塗層,再到聚合物和高度精煉的金屬等都是如此。才華橫溢且反叛傳統的知名物理學家費曼(Richard Feynman),在1959年於美國加州理工學院(Caltech)舉行之美國物理學會(American Physical Society)會議上發表的演說《底部還有大量空間:歡迎進入物理學新領域》(There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics),就指出了這一點,他對奈米技術和奈米材料可能性的看法,已被證明具有高度先見之明。

本文同步刊登於EDN電子技術設計2018年11月平面雜誌;責編:Judith Cheng

(參考原文: Is Graphene the Next Silicon?,by Bill Schweber;本文原刊於EDN姊妹刊,ASPENCORE旗下Planet Analog網站)