其他

原子樂高

把厚度僅一個原子的各種薄層組合,即可形成另一種特性完全不同的新材料,未來我們將能打造功能更強的嶄新裝置。

撰文/蓋姆(Andre K. Geim) 
翻譯/甘錫安

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原子樂高

把厚度僅一個原子的各種薄層組合,即可形成另一種特性完全不同的新材料,未來我們將能打造功能更強的嶄新裝置。

撰文/蓋姆(Andre K. Geim) 
翻譯/甘錫安

樂高積木這種小小的塑膠組合方塊,啟發了許多世代的傑出人才。這種小方塊可做出時髦汽車的樣式、精細的城堡,以及效果遠超過所有方塊組合、令人讚歎的各種創作。現在,新型樂高積木將啟發新一代的材料科學家,而這種樂高積木就是原子尺度的「構件」。

這種新的構件是厚度僅一個原子的薄層,可依照精心設計的順序堆疊。藉由這類前所未有的精密結構控制,能夠製作出嶄新材料,其導電和光學性質是以往不可能存在的。有了這類材料,科學家將可設計出依極低電阻特性打造的裝置、速度更快且運算效能更強大的電腦,以及能夠彎曲、摺疊且重量極輕的穿戴式電子裝置。

這項重大突破的先鋒是石墨烯。石墨烯是厚度僅一個原子的碳原子薄層,2004年,我和英國曼徹斯特大學的同事首度由體積較大的石墨塊分離而得。我們使用透明膠帶,從石墨塊表面撕起厚度僅一個原子的石墨烯,石墨烯是由六角碳環構成如蜂巢般的薄層,原子結構看來就像鐵絲網一樣。近10年來,研究人員以「撕起膠帶分離薄層」的方式,發現了數十種物質,而且種類正在快速增加。石英就是一例,另外還有六方氮化硼和二硫化鉬等名稱較不常聽到的材料。

這類薄層通常視為二維平面,因為對於任何材料而言,一個原子是最小的可能厚度。(即便厚度為兩、三個原子的薄層也適用。)這類薄層的寬度和長度可能大上許多,全看製作者的需求。過去幾年,平面薄層由於具備許多獨特的性質,已經成為材料科學和固態物理領域的熱門主題。

這些薄層能以相當穩定的方式堆疊,但並非透過共用電子的共價鍵等傳統方式,而是當原子十分接近時,以微弱的凡得瓦力(van der Waals force)互相吸引。這種作用力通常不足以使原子和分子結合,但由於這類薄層的原子密度極高、距離極近,因此總合的力相當強大。

要了解這類材料的驚人潛力,可以想想室溫超導性。輸送電力時能量不會散失,而且輸送器材不需要裝置在難以想像的低溫下,是各個世代科學家的目標。如果能發現達到這個目標的材料,對人類文明的影響將十分深遠。科學家都認為這個目標原則上可以達成,但沒有人知道該怎麼做。目前超導材料的最高溫度仍需低於-100℃,近20年來提升此極限的進展相當有限。


日前我們發現,某些氧化物超導體(包含至少一個氧原子與其他元素的化合物)也能用撕起膠帶分離薄層的方式分解成薄層,如果以不同順序重新組合這些薄層,並在其中插入其他晶面(crystal plane),會有什麼結果?我們已經知道氧化物的超導性來自層與層的間隔,而在晶面之間添加其他薄層,則可使某些導電性不良、甚至不導電的材料成為導體。


這個構想尚未經過充份檢驗,因為原子尺度樂高積木的製造技術仍在萌芽階段。的確,要組裝出複雜的多層結構相當困難,目前這類結構極少超過五層,通常只有兩、三個不同的構件,大多是石墨烯加上絕緣體氮化硼和二硫化鉬或二硒化鎢等半導體材料。由於這類結構含有多種材料,因此常稱為異質結構(heterostructure),目前這類結構還相當微小,長度和寬度大多僅10微米,比人類頭髮的截面還小。


我們可以運用這類結構進行實驗,發掘新奇的導電或光學性質和新的用途。這裡有個頗有意思的想法:由於這類結構相當薄,彈性和透明程度也相當高,因此可以用來研發能改變形狀的發光裝置,例如可以因應使用者需要而展開的顯示器。此外,還可研發出能源效率更高的電腦晶片。


如果研究人員在這類結構的研究中取得重大進展,我們相信這類技術的尺度應該能擴大,以便運用在工業上。石墨烯和某些平面薄層的發展就是如此,它們起初都是直徑僅數微米的微晶(crystallite),但現在已經可以製作成數百平方公尺的薄層。


目前這類技術尚未出現所謂的「決定性用途」,儘管如此,這個領域的進展已經在科學界掀起一陣極大的熱潮。人類的進步總是緊接在發現新材料之後,這些發現幫助人類從石器時代、銅器時代、鐵器時代,一路邁進矽時代。原子尺度的樂高積木正是人類從來沒有創造過的材料,未來的發展將無可限量。