膠紙 ＋ 鉛筆 ＝ 諾貝爾獎

今年諾貝爾物理學獎一反常態，頒給「年紀輕輕」52 歲的海姆（Andre Geim）和 36 歲的諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），比後者更年輕的物理學獎得主要追溯至 1973 年，那時後者還未出生。根據諾貝爾獎網頁，他們的獲獎理據是「對二維物料石墨烯的開創性實驗」（for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene）。

石墨烯是一層厚（薄？）的碳原子，亦可稱作「單層石墨」，在二維平面上，碳原子排列成一個個六角形（上圖），如蜂巢。鉛筆芯（三維立體石墨）就是由許多層石墨烯相疊而成。物理學家對石墨烯一點也不陌生，超過六十年前已開始作理論探討，早已預見多項有趣特性，例如超低電阻；然而另一方面，由於熱力學的限制，他們認為真正的二維石墨烯實在太薄，不能獨立隱定地存在，必須處於一些三維實體之內（如鉛筆芯的一部分）。可以用建築物作比喻，樓層（二維平面）不可能隨便抽離大廈（三維立體），樓層只是一個概念，實際上不能獨立存在。有人嘗試製造石墨烯，往往達到十幾層厚便失敗收場，與理論所言互相呼應。

換言之，石墨烯只是理論上的一個概念，除了幫助了解碳物料特性和讓物理學家作天馬行空的學術探討外，從沒有人期望石墨烯真的出現……直至 2004 年海姆和諾沃肖洛夫的「開創性實驗」。

二人「提煉」石墨烯的方法簡單得難以置信，用膠紙黏掉鉛筆芯的表層，附在膠紙上的便是石墨烯。嚴格來說，膠紙上的石墨並不平均，有的地方黏着多層石墨烯，有的三層，有的兩層，有的一層，我們最感興趣的當然是一層，但這裡遇上另一個難題，如何分辨及尋找單層石墨呢？來到這個厚薄（一至數顆原子厚度），它是透明的，透明的東西很難辨別厚度，莫說石墨烯，窗子是單層或雙層玻璃也未必分得清。海姆和諾沃肖洛夫把膠紙上的石墨印往二氧化矽（SiO₂）薄板之上，二氧化矽薄板呈紫色，但光線經過石墨烯的干擾（interference）後呈藍色，不同厚度的石墨烯呈不同深度的藍色（一層油在水面呈彩色的原理差不多），利用光學顯微鏡便看得見（右上圖，點擊放大，圖中數字為厚度）。

肉眼認出單層石墨烯之後，二人隨即採用原子力顯微鏡（atomic force microscope）確認其厚薄，果然只有一原子厚，石墨烯這種「不可能」物料竟然面世！

細心的讀者會問，既然原子力顯微鏡能知厚薄，為何需要肉眼辨認呢？這是技術問題，原子力顯微鏡以針尖逐點掃瞄，在如此微細的尺度下，膠紙像是一望無際的平原，在這裡地毯式搜尋「獵物」，無異於大海撈針，因此必須首先收窄範圍。

海姆和諾沃肖洛夫指出，近在眼前的石墨烯遲遲未給發現，原因有二。首先，根本無人認為石墨烯能夠獨立存在；其次，透明的石墨烯放在玻璃或普通平面上根本看不見。諾貝爾委員會在物理學獎科學背景（scientific background）文件中指出，兩人「have succeeded in producing, isolating, identifying and characterizing graphene」，可見今次獎項是表揚他們對基礎科研的貢獻，傳媒廣泛報導的應用如輕觸式屏幕、集成電路、基因排序等反而是次要。

事實上，除輕觸式屏幕以外，其他應用乃願景多於事實，能否打進市場還是未知之數。要打進市場，首先要大量生產，以上描述的「生產過程」，做實驗還可以，大量生產是笑話。現時，工業生產石墨烯的方法可分兩大類。第一類叫「chemical vapour deposition」，把金屬（如銅）與含碳氣體（如 CH₄，即甲烷）一起加熱，金屬表面形成一層碳，亦即石墨烯；最近有南韓科學家用此法製造了對角 30 寸的長方形石墨烯塊，打算用於輕觸式屏幕。第二類方法是把碳化矽（SiC，silicon carbide）在接近真空下加熱，其表面亦會形成石墨烯。

這兩種生產工序，在海姆和諾沃肖洛夫的「開創性實驗」之前早已發明，印證了二人獲獎的原因不在應用、而在基礎科研方面。石墨烯的超低電阻及其代替矽作為集成電路材料的潛質早已廣為人知，其生產工序的研究即使沒有以上兩人亦進行得如火如荼；我不懷疑他們的貢獻，科學界亦對二人得獎毫無異議，我只是覺得有點諷刺，假如十年後第一部石墨烯電腦面世，公眾必會歌頌今屆諾獎得主，但事實上，即使沒有他們的「開創性實驗」，石墨烯電腦還是會面世。

當然，經過今屆廣泛宣傳，石墨烯「人氣急升」，其應用研究該會加速，也許這便是海姆和諾沃肖洛夫二人對石墨烯應用的「貢獻」吧。毫無疑問，「石墨烯」一詞將會成電子產品宣傳詞彙的一部分。我在想，假如劉曉波是物理學家，代替了以上兩人作那「開創性實驗」，今屆劉曉波同時獲得物理學獎及和平獎，中國政府在互聯網除了封殺「劉曉波」一詞外，還要不要封殺「石墨烯」一詞呢？

（2010 年 10 月 12 日 信報副刊）

註：事實上，單層石墨在光學顯微鏡下並不明顯（下左圖中間部分），用電子顯微鏡才看得清（下右圖），故嚴格來說，海諾二人是用光學、電子和原子力顯微鏡三管齊下發現石墨烯的。以上文章為簡單起見，沒有提及電子顯微鏡。



學術參考：
M. Sprinkle, et al. (2010), “Scalable Templated Growth of Graphene Nanoribbons on SiC,” Nature Nanotechnology 5, 727-731.

Sukang Bae, et al. (2010), “Roll-to-Roll Production of 30-Inch Graphene Films for Transparent Electrodes,” Nature Nanotechnology 5, 574-578.

A. K. Geim, K. S. Novoselov (2007), “The Rise of Graphene,” Nature Materials 6, 183-191.

K. S. Novoselov, et al. (2005), “Two-Dimensional Atomic Crystals,” PNAS 102, 30, 10451-10453.

K. S. Novoselov, et al. (2004), “Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films,” Science 306, 666-669.