市面上的石墨烯產品，真的有那麼厲害嗎？

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

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。

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。

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