奧丁丁新聞 OwlNews｜多元觀點。獨創你的輪廓

圖／示意圖商傳媒｜何映辰／台北報導美國萊斯大學（Rice University）領導的研究團隊近期發現，石墨烯材料中極微小的皺褶，竟能產生出乎意料的強大電性效應。這項突破性發現為在僅數原子厚度的材料中控制電流，開闢了一條嶄新途徑，擺脫了過去必須依賴化學添加或材料複合的方式，未來有望應用於更靈敏的感測器與極薄電子裝置。 石墨烯（graphene）是一種僅由單層碳原子構成的材料，具有獨特的物理與電性。在本次研究中，科學家們將焦點放在石墨烯自然形成的皺褶上，其中有些皺褶被擠壓到小於十億分之一公尺的區域，這是屬於「原子尺度」（atomic scale）的極微小範圍。研究團隊利用專業的顯微鏡探針，繪製出這些皺褶的形狀，並測量其局部電能與電流。 研究結果顯示，在極度彎曲的皺褶處，強烈的彎曲會導致石墨烯中的電子輕微地轉移到其中一側，進而產生正負電荷分離，這種現象稱為「極化」（polarization）。一旦施加約一伏特的電壓，便能穩定偵測到電流。值得注意的是，這種電性反應的強度與皺褶的「銳利度」息息相關，其重要性遠超過皺褶的整體高度。該研究估計，這種由彎曲引起的極化作用，其強度比一般「撓電效應系統」（flexoelectric systems）強大 10 萬至 1,000 萬倍。 萊斯大學工程學教授普利克爾·阿加延（Pulickel Ajayan）表示：「我們的研究證明，單純透過材料的幾何形狀就能改變其電性行為。這為設計能透過結構而非化學性質來控制屬性的材料，開啟了新的可能性。」曾任萊斯大學博士生並為該研究主要作者的 Sathvik Ajay Iyengar 形容，想像彎曲一把軟尺，但彎曲處被擠壓到小於十億分之一公尺的空間內。在如此小的尺度下，石墨烯中的電子會輕微轉移，形成如同微型電池兩端般的正負電性。 這項發現也印證了賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University）理論物理學家文森特·穆尼耶（Vincent Meunier）在 2008 年提出的預測。當時他預測石墨烯的劇烈彎曲能重新排列電子並產生電性反應，但要測量僅數原子寬的彎曲處效應在技術上極具挑戰性。直到近年，Iyengar 與曼努吉·特里帕蒂（Manoj Tripathi）合作觀察到石墨烯皺褶處的異常電性訊號，才為穆尼耶的理論提供了實驗依據。科學家們期望未來能藉由精確控制石墨烯皺褶的彎曲度，來微調材料的電性，使這些看似不完美的結構成為設計未來科技的重要功能特徵。