石墨烯的發展與應用(上)：材料世界網

科學家認為從熱力學的角度，單層石墨結構（厚度為一個碳原子）不應該穩定存在。但自從2004 年以後，幾個研究團隊陸續成功地將Graphene 分離，並分析此2D晶體結構材料獨特的物性與化性，除單層Graphene 外，雙層或多層Graphene材料也相繼被探討與分析。奈米石墨烯(Nanoscale Graphene Platelet; NGP)係指石墨層厚度介於0.34~100 nm 的新型奈米碳材料，具有相當優異的物性、化性和機械性質，包括楊氏係數(~1,100 GPa)、斷裂強度(125 GPa)、熱傳導 (~5,000 W/m•K)、高Charge Mobility (~200,000 cm²/V•s)和比表面積（2,630 m²/g ，如圖一所示）等，與其他諸如奈米碳管(Carbon Nanotubes; CNTs)、奈米碳纖維(Carbon Nanofibers; CNFs)等奈米碳材具有部分相近之特性，其基本物性比較如表一所示。因NGP 獨特之特性，目前除了能廣泛作為奈米填充物(Nanofiller)外，近年來在能源材料、類紙材料、高分子混合物和液晶顯示器等領域之應用也備受重視，但目前能夠大量且低成本量產Graphene的製程技術尚未完全開發完成，且產物特性的穩定性控制不易，也將限制其材料的應用開發，預計以Graphene 材料為主的元件系統至少還需五到十年的時間。

表一、奈米碳管、奈米碳纖維和Graphene 的基本物性比較

Graphene 之製備方法
Graphene 製備方法目前所揭露的有四種：(1)化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition; CVD)或磊晶成長法(Epitaxial Growth)，例如通入乙烯氣體熱裂解沈積在鎳片上；(2)以機械力方式從Graphite 上剝除分離製備Graphene ，這種方法又稱為Scotch-tape 或Peel-off Method ，許多學者探討Graphene 基本特性都使用此種方式，可快速獲得單層石墨；(3)在不導電的基材上生長Graphene ，例如SiC；(4)以化學反應法製備Graphene ，是以石墨為原材料，經由化學氧化將其脫層並進行還原程序。其中，以機械力剝除法製備Graphene 的製程最為簡單，但缺點為只能小量製造，僅能做基礎科學研究；而CVD 法已有文獻證實可於金屬基材上製備較大面積的單層或多層Graphene (~1 cm²)，但Graphene 的均勻性與厚度控制將為該法目前最大的考驗與挑戰；因此大多數的文獻利用可大量生產與製造的化學法製備Graphene，如表二所示。

化學法製備Graphene 之反應機制
以化學法製備Graphene 需透過石墨氧化的過程，以降低石墨層與層間的凡得瓦力，一般製備氧化石墨(Graphite Oxide)大多採用Brodie 、Staudenmaier 或Hummers 等三位學者揭露的方法，這三種方法均利用強酸和強氧化劑將石墨氧化（圖二），石墨氧化程度會受到不同方法、氧化反應條件和石墨先驅物的選擇而有所影響，雖然非常多的文獻已深入討論氧化石墨的化學結構特性，但建立模式的文章並不多見。大多數文獻製造Graphene Platelets 先以嵌入劑(Intercalant)與石墨進行嵌入反應，接著藉由熱裂解、靜電排斥法或利用化學反應將嵌入劑膨脹，以達到石墨分層的效果。然而這些程序目前無法有效且低成本的大量製造Graphene ，其主要原因包括……詳細全文請見原文

圖二、以化學法製備單層Graphene的反應流程圖：(1)將石墨利用強酸或強氧化劑氧化生成氧化石墨；(2)以超音波震盪將氧化石墨脫層；(3)藉由聯胺或其他還原劑將氧化石墨還原成Graphene