【能源材料】岩石中媲美石墨烯的導電材料

■一般都認為石墨烯是電子學的未來：六個碳原子圍成一圈，組成蜂巢狀結構的單原子薄層，非常有彈性。現在也發現其他材料有類似的層狀特性，例如二硫化鉬。

編譯｜廖容英

華沙大學 (FUW) 物理系與法國格勒諾布爾國家強磁場實驗室 (Laboratoire national des champs magnétiques) 的研究人員發現，二硫化鉬薄片的晶體性質跟先前預想的不太一樣，他們合作研究的結果刊登於《應用物理學通訊》(Applied Physics Letters) 期刊。華沙大學物理系教授亞當．巴賓斯基 (Adam Babiński) 表示：「我們必須充分了解這類材料晶體現象背後的物理作用，才可能建立涵括多層單原子薄片的電子系統。這很複雜，我們的研究顯示這個領域還有很長一段路要走。」

取得石墨烯最簡單的方式稱為剝離 (exfoliation)：把膠帶貼在一塊石墨上再撕下來，膠帶黏附的碎屑就包含了許多細小的石墨層。石墨塊由石墨層組成，每一層之中的碳原子以共價鍵 (covalent bond) 緊密連結，使得石墨具備極佳的彈性，不同層之間則以凡得瓦爾鍵連結，比共價鍵弱得多，一般膠帶便能從石墨塊取下石墨層。數年前發現，擁有這種特性的材質不只有石墨，許多晶體也能以類似方式取下單原子薄層，例如已經試驗成功的過渡金屬硫屬化物 (硫化物、硒化物、碲化物)。其中最引人注目的是二硫化鉬 (molybdenum disulfide, MoS2)，在自然中以輝鉬礦 (molybdenite) 的形式出現，晶體為銀色六角片狀，全世界的岩石中都有發現。輝鉬礦長期用於潤滑劑與合金，單原子薄層的物理特性則乏人問津。

以電子學角度而言，二硫化鉬薄層相較於石墨烯有一項重大的優勢：能隙 (energy gap)。能隙意指在某個能量範圍無法存在電子狀態，使用電場便可將材料切換為導體或絕緣體。電流計算顯示，關閉的二硫化鉬電晶體消耗的電能是矽電晶體的數十萬分之一。石墨烯沒有能隙，所以石墨電晶體無法完全關閉。

觀察晶體結構與其中包含的現象時，分析光的散射現象往往可以獲得寶貴資訊。材料的原子與分子會吸收給定能量的光子，再發散同等的能量，散射光的光譜將反映該能量。然而，數百萬個光子之中，會有一個光子的能量改變材料的振動或旋轉性質，或引起相反的現象：帶走分子的些許能量，增強自身能量。後者稱為拉曼散射 (Raman scattering)。

華沙大學物理系研究人員使用低溫顯微測量儀器觀察二硫化鉬的拉曼散射光譜，發現在單層材料中，拉曼散射的形狀可能是受到先前未考量的晶體振動現象影響。新的振動型態會影響電子的運作方式，表示這些材料的電子特性很可能跟先前預測的不同。巴賓斯基教授表示：「發現石墨到現在，科學界與產業界對它的興趣仍然持續增加，不過我們並沒有忘記其他單層材料。如果我們研究更透徹，這些材料在多種用途上很可能超越石墨烯。」
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研究出處：Material rivaling graphene may be mined out of rocks

譯者：廖容英 科教中心特約寫手，從事科普文章編譯。
責任編輯：Kerina Huang