Luis國際資訊事務所

撰文∕李名揚

重點提要
■石墨是由很多層平面碳原子結構靠凡得瓦力結合在一起所形成的層狀塊材，用膠帶可將其一層層撕開，而得到單層的石墨烯。
■石墨烯是全新的研究領域，由於蓋姆和諾佛謝洛夫樂於和其他科學家分享研究成果，才使此領域進展神速。
■諾佛謝洛夫一直堅持做自己喜歡的工作，他強調「唯有做自己真正喜歡的工作才會成功。」

2010年諾貝爾物理獎頒給英國曼徹斯特大學的蓋姆（Andre K. Geim）和諾佛謝洛夫（Konstantin S. Novoselov），原因是他們於2004年首先分離出單層的石墨烯（graphene），並進行了許多相關研究。

石墨烯是碳原子以六角形排列組成的單原子層平面結構，具有高導電性、高透光率，並且極為堅韌（見50頁〈石墨烯：一網打盡基礎物理與電子產業〉）。自 2004年以來，石墨烯已成為物理與材料科學界的顯學，許多學者爭相投入相關研究。中央研究院於11月15~16日舉辦「石墨烯、奈米碳管的最近發展與奈 米材料的超快現象」國際研討會，特地邀請到石墨烯發現者之一的諾佛謝洛夫與會。

諾佛謝洛夫曾是蓋姆的博士生，年僅36歲，是1973年英國的約瑟夫森（Brian David Josephson）以33歲之齡得獎後，近37年來最年輕的物理獎得主。諾佛謝洛夫此行除了在中研院及清華大學各舉行一場演講外，還特地抽空接受《科學 人》專訪，暢談他的學習與研究歷程。

幸運留給有準備的人
對於諾佛謝洛夫能以如此年輕的年紀榮獲諾貝爾獎，外界最好奇的，莫過於當初石墨烯是怎麼做出來的？

這得從充斥現今社會的各項電子產品說起。電腦、手機等絕大多數電子產品的核心皆是電晶體，主要材料是矽。然而矽受限於材料的特性，電流傳輸效率不佳，因此 許多科學家都希望找出矽的替代物，例如鍺、砷化鎵等。理論上石墨烯具有非常優異的導電性，但是絕大多數人都認為石墨烯在室溫下不可能穩定存在，於是喜歡搞 怪的蓋姆和他的一群學生（包括諾佛謝洛夫在內）就在他們定期舉行的「星期五黃昏實驗」（Friday evening experiments）挑戰這個「不可能」，當時是2003年。

石墨是由許多平面碳原子結構在垂直方向以凡得瓦力結合在一起而成的層狀塊材，理論上，必須做出很薄的薄片，才有機會成為取代矽的材料。蓋姆先要求一名學生 以很高級的拋光機打磨，但是磨了三星期，卻只能磨出10微米厚、相當於1000個碳原子厚度的薄片，這樣的結果讓他們幾乎放棄這個構想。

但說也真巧，就在此時，他們看到有位技術人員正在測試一台掃描穿隧顯微鏡（STM），需要觀測樣本，而最好的樣本正是很容易碎成小塊的石墨。這名技術人員 用膠帶黏貼石墨來清潔石墨的表面，其實這是蓋姆和諾佛謝洛夫早就知道的標準作業程序，但這樣的動作在這個節骨眼發生在他們眼前，卻被賦予了完全不一樣的意 義，「我們只看了一眼，馬上知道『就是這個』！」於是蓋姆和諾佛謝洛夫立刻開始用膠帶反覆黏貼石墨再撕開，使殘留在膠帶上的石墨越變越薄。

「我們真的非常幸運！」諾佛謝洛夫指出，他們將經過多次處理的膠帶黏到基板上，然後撕下膠帶，讓石墨薄片貼在基板上，用肉眼觀察，只試了幾種基板，就發現 當石墨薄片貼在氧化矽上時，在某些角度的光線照射下，可以憑肉眼看出來；接著他再用顯微鏡觀察，只花了不到一小時，就知道自己成功撕出了僅幾個原子厚的石 墨薄片，而這距離他們開始動手撕，也才不過幾天而已。

不過要到幾個月後，他們才真正知道自己有多麼幸運，因為他們後來使用很多種基板來測試，都看不出基板上是否有石墨薄片，原來是因為石墨薄片非常薄，若和基 板之間的色差太小，就無法以肉眼初步鑑定是否成功，並決定下一步。此外，他們還發現基板和石墨薄片之間的作用力，也是成功的重要關鍵。換句話說，他們幾乎 是在一開始就碰巧找到了正確的基板材料——氧化矽，「這純粹是幸運，但即使沒有這種幸運，我相信我們仍能成功，只是時間會稍晚一點。」諾佛謝洛夫如此表 示。

確認石墨可以用膠帶撕成薄片後，蓋姆和諾佛謝洛夫又持續撕了一年，才撕出單層的石墨烯。諾佛謝洛夫表示，他們在這一年中的工作，雖然每一次都沒有撕出石墨 烯，但他認為「每一次嘗試都是成功的」，因為每一次的工作都對後來的成功有所貢獻，都可視為後來成功的關鍵因素之一。在這個過程中，他們也從來沒有想過要 放棄，因為「我們並不是為了得獎才做這個實驗，而是我們想做。如果我不喜歡做，自然就會放棄。」

【欲閱讀完整的豐富內容，請參閱科學人2010年第106期12月號】