市面上的石墨烯產品,真的有那麼厲害嗎?

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石墨稀是近年來最熱門的材料之一,具備高硬度、高彈性、高導電、高導熱的特性,被廣受期待能應用於各式生活用品上。你知道嗎?石墨烯與我們的生活很接近,每個人皆使用過具有石墨烯的產品——鉛筆。石墨稀由碳原子組成並以蜂巢狀結構排列,其製備的方式多元,目前最常用的方式是化學氣相沉積法,然而,製造成本仍居高不下。近年來,市面上有許多宣稱含有石墨烯的產品,讓人眼睛為之一亮並爭相加入購物車,在下單石墨烯相關產品之前,你需要做足功課!

撰文|黃鼎鈞

 
石墨烯示意圖。石墨稀由碳原子以蜂巢狀結構組成,且僅有一層原子層之厚度。來源:AlexanderAlUS

 

比鑽石更堅硬、比橡膠更有彈性!

早在1947年,科學家 P.R Wallace 即預測石墨烯(Graphene)的存在[1],經過將近60年才第一次由 Konstantin Novoselov 及 Andre Geim 兩位科學家成功製造出來[2],並於2010年獲得諾貝爾獎,自此開始,石墨稀成為科學界火紅的研究題材,也成為各大領域爭相採用的材料。

石墨與鑽石皆由碳組成,分別以SP2及SP3不同的混成軌域鍵結,你可以想像成,對石墨中的每一個碳原子而言,有三個鄰居碳原子,對鑽石中的碳原子而言,有四個鄰居,一樣都由碳原子組成,但結構卻不相同。石墨呈現黑色外貌,並且可以導電,常用於鉛筆;鑽石則呈現透明,不導電,且硬度極高,地球含量稀少且造價高昂被塑造為定情之物,得知碳原子以不同的方式組成時,會呈現不同的物理性質。

當我們將石墨一層一層剝離至僅存一個原子層時,石墨烯便由此而生。由於僅有一層原子層,我們將這類物質稱為二維材料。令人驚訝的是從石墨到石墨烯,物理性質產生非常巨大的改變,許多報導稱之為世界上最強的材料,並以這句話來形容石墨烯 “Harder than diamond yet more elastic than rubber(比鑽石更硬、比橡膠有彈性)”[3],硬度及彈性這相互矛盾的特性,竟然可以同時存在於一個材料中!

除機械性質外,石墨烯具有相當高的導熱及導電效果,導熱率是銅金屬的1.6倍,而導電率則高達10倍之多。石墨烯的外表也不再像石墨一樣呈現灰黑色,而是近乎透明的質地,對可見光的透光率接近98%,但是在遠紅外光的透光效果卻只有60%的穿透率[4]。石墨烯的原子結構及電子結構都非常特殊,物理性質相當罕見,對於當今科技又相當實用,目前可說是半導體產業及生物科技等領域的當紅炸子雞,也就被塑造一個「黑科技」的形象,成為很好的宣傳利器。

以膠帶剝離法取得石墨烯|來源:Wikimedia Commons

 

石墨烯的製備:從透明膠帶到高溫化學製程

起初 Konstantin Novoselov及Andre Geim 兩位科學家,以一個極具創意又簡易的方式製作石墨烯,他們用透明膠帶將石墨反覆的粘離,發現石墨烯竟被分離殘留在膠帶上;這方法雖然簡單,卻不容易掌控石墨烯的品質及面積,更不說要商用量產了。

目前最被廣泛使用製備高品質石墨烯的方法——化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,CVD),依照欲形成物質的種類、通入氣體狀態的原料,加上相對應的前驅物及觸媒,並調整通氣流量及溫度進行解離等相關反應,使得薄膜形成在基板上,簡單來說就是將目標薄膜沉積下來的過程。目前製備石墨烯普遍使用甲烷(CH4)作為前驅物,利用氫氣(H2)作為結合碳的活化劑,帶走多餘的碳使之單層生長,並以銅箔作為基板及觸媒,在攝氏1000度的環境下製備高品質的石墨烯。石墨烯成形在銅箔後,再將其轉印至需要應用的元件上。根據其製備方式及品質,石墨烯的製造成本相差甚大。若要得到高品質、產量穩定及面積夠大的石墨烯,並且還能將這個超薄薄膜順利地轉移到相關產品上,想當然這製作成本一定非常高昂,也因此石墨烯被大規模應用至日用商品仍相當不容易。

化學氣相沉積法示意圖|來源:作者

 

根據統計,目前商用石墨烯的製造成本估可達每公噸20萬美金[5],相當於每公噸600萬台幣。為開發高潛力的石墨烯,許多科學家也相繼投入石墨烯的材料研究,許多國家也投注鉅額資金研究石墨烯,像是歐盟2013年開啟了石墨烯旗艦計畫(Graphene Flagship Initiative),盼能盡快將石墨烯應用於人類生活。

 

石墨烯進入人類生活了嗎?

由上述內容可知石墨烯的特性,在材料應用上具備更多的可能性,許多廠商也紛紛為民眾介紹石墨烯的夢幻之處並與自己的商品連結。以成本的觀點來看,一般寢具及保暖衣物的主要成分,由天然棉花或人造聚脂纖維(Polyester)組成居多,棉花的成本目前約在每公噸3000美元[6],聚脂纖維則約每公噸1000美元[7],與石墨烯的製造成本相差甚多,對應到石墨烯保暖產品上,這價格真的可以反映其製備成本嗎?若是以石墨烯的成本來設計產品,又該是什麼價格呢?現在認識石墨烯的你,也許也會有不同的想法。

 

 

參考資料:

  1. R. Wallace, Phys. Rev. 71, 622-The Band Theory of Graphite
  2. SCIENCE-22 Oct 2004-Vol 306, Issue 5696-pp. 666-669-Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films
  3. Graphene – All You Need to Know
  4. ACS Nano 2011 5 (12), 9854-9860- Infrared Spectroscopy of Wafer-Scale Graphene
  5. Graphene typically costs $200,000 per ton. Now, scientists can make it from trash.
  6. Cotton Lint Price per Ton June 2022 Please mention the Source
  7. 9 Uses of Polyester and Their Differences

 

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