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技術諮詢
碳同素異形體：五環石墨烯
2017/07/19
蘇萬生 | 國家實驗研究院高速網路與計算中心高速計算技術與應用組
最近科學研究發現一個全新的二維亞穩態(一種非平衡狀態)碳同素異形體[1]，其幾何結構是完全由碳五邊形構成，排列方式則類似於開羅五邊形鑲嵌[2]，科學家們稱之為五環石墨烯。而這五環石墨烯可以使用化學剝離技術[3]從一種稱為T12 [4]相的碳同素異形體得到。理論計算結果顯示這新奇的碳結構不僅是在動態和機械上是穩定的，而且可承受的溫度高達1000K。所具有的優異性質可與六環石墨烯相匹敵。
一般常見物質在縱向給與壓力時，縱向長度會縮短，橫向長度會增加；反之在縱向拉伸時，縱向長度會增加，但橫向長度會減短。此時泊松比[5]為正值。由於其獨特的原子結構，五環石墨烯的泊松比為不同尋常的負值。對於泊松比為負值的物質來說，在縱向給與壓力時，縱向長度會縮短，橫向長度卻也會同時縮短；反之在縱向拉伸時，縱向與橫向長度會同時增加。這種物質特別適合用來做高強度的防彈衣，因為在子彈射入防彈衣時，受到衝擊反而會讓物體更形緻密，使子彈更難穿透。
該報導研究團隊之一的王教授認為，這項研究發現豐富了人們對碳結構的認識。五環石墨烯具有內在準直接能隙[6]的特性，可應用於輕質半導體薄膜器件、應變放大器等。一旦實驗上能合成出來，可望在奈米尺度的電子和機械器件設備中找到廣泛的用途。
主圖說明：圖為五環石墨烯原子結構側視(上)和俯視(下)示意圖，其排列形狀猶如開羅五邊形鑲嵌。
參考資料
[1]S. Zhang, J. Zhou, Q. Wang, X. Chen, Y. Kawazoe and P. Jena, “Penta-graphene: A new carbon allotrope”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2015, 112, 2372-2377.
[2]開羅五邊形鑲嵌(英語：Cairo pentagonal tiling)：在幾何學中，五邊形鑲嵌是指用五邊形鑲嵌平面。開羅五邊形鑲嵌是一種平面鑲嵌，其為半正鑲嵌扭稜正方形鑲嵌的對偶鑲嵌，密鋪於歐氏平面，其名為「開羅」是因為這種幾何圖形經常在埃及開羅的街道上出現，是15種已知的等面五邊形鑲嵌之一 (取自維基百科網頁) 。
[3]化學剝離法(英語：chemical exfoliation method)：亦稱化學插層法，即用一定的化學手段將之“插”進需要剝離物層間，然後再通過一定化學手段使被剝離物按當初設定進行剝離的一種方法。化學剝離法通常處理難以用物理剝離法剝離的物質。
[4]Z. Zhao, F. Tian, X. Dong, Q. Li, Q. Wang, H. Wang, X. Zhong, B. Xu, D. Yu, J. He, H.-T. Wang, Y. Ma and Y. Tian, “Tetragonal allotrope of group 14 elements”, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 12362-12365.
[5]泊松比（英語：Poisson's ratio），是材料力學和彈性力學中的名詞，定義為材料受拉伸或壓縮力時，材料會發生變形，而其橫向變形量與縱向變形量的比值
[6]能隙（英語：energy gap），在固態物理學中泛指半導體或是絕緣體的價帶（valence band）頂端至導帶（conduction band）底端的能量差距。而所謂直接能隙半導體則指電子從導帶底部掉落至價帶頂端，只產生能量的變化，此能量大約等於導帶底部與價帶頂端之能量差稱為該半導體之能隙。