【大纪元2015年06月18日讯】根据 2015年3月18日出版的《自然通讯(the Journal Nature Communications ) 》科学期刊报导，加州理工学院（California Institute of Technology，简称Caltech）台裔教授叶乃裳 (Nai-Chang Yeh) 团队研究生产石墨烯(Graphene)，发明了一种新技术，利用电浆增强式化学气相沉积(plasma-enhanced CVD)方法来成长低温石墨烯。
这项重大科学突破，是由叶乃裳教授领军，台湾科技部支持的“龙门计划”台大光电所吴志毅教授研究团队提供重要的贡献。吴志毅以“室温化学气相沉积法成长之石墨烯的特性研究及应用”为题，获得科技部补助，团队成员林伟翔博士生在计划下，于叶乃裳实验进行两年的研究。他在《自然通讯》的报导中列第二作者。研究团队的其他成员，包括M.L. Teague和来自台湾的徐承志、陈建彰、罗元彦、郑文源、苏维彬、程琮钦及张嘉升。
这是“龙门计划”国际合作的成功范例，该计划主要是补助台湾绩优研究团队赴国际知名研究机构进行合作，团队的博士生或博士后研究人员可停留1至2年。
这项重大科学突破，深受各界重视，著名全球媒体，包括美国之音－科学世界(Voice of America – Science World)、美国国家自然科学基金(National Science Foundation)、domain-b.com、spacedaily.com、engineering.com、华尔街日报等，均有专题报导，BBC也制作了两个小时的专题介绍，即将播出。
这项新技术在室温环境下直接合成石墨烯，将为现今商业产品带来另一种新的可能，诸如石墨烯的太阳能电池和发光二极体，大型显示器与软性电子产品；也可能会给太阳能电池、显示器的的透明电极、燃料电池的氢离子渗透膜、高品质隔离膜以及柔性电子等，整体带来翻天覆地的影响，也使得石墨烯的商业化进程又迈出了坚实的一步。
叶乃裳早年毕业于台湾大学，任教于加州理工学院物理系，是该校有史以来取得终身职时最年轻的女性教授，她并担任卡瓦利奈米科学研究所（Kavli Nanoscience Institute）弗莱彻‧琼斯基金会（the Fletcher Jones Foundation）共同主任。
她表示，只有一个原子厚度的石墨烯拥有许多独特的性能，其拉伸强度超过钢的200倍，电子转换率(electron mobility)比硅高20至30倍，因此在工程和科技领域有着极为广泛的应用。不过，石墨烯要想达到工业应用，还有很大的难度。其制备以往需在华氏 1800 度或摄氏1000度的高温下进行，不仅会产生无法控制的较大形变，严重影响其固有的属性，而且制备时间较长，且仅能生长出几平方毫米的高流动性石墨烯。利用新方法则可以产生几平方英寸大小的石墨烯，这为其今后在工业化应用上铺平了道路。
叶乃裳强调：“我们的方法只需一步就能生产出具有高电子转换率，而几乎无内部应变的石墨烯，且不需高温条件。我们试制了几个大小为几平方公分的样品。实验结果表明，此法可用于工业大量生产。依此情形，最终我们未来会生产出几平方英寸，甚至更大的石墨烯片。这项技术将为石墨烯的工业化推广奠定下坚实的基础。”
这个新的生产方法是研究人员偶然发现的。研究团队中的科学家大卫‧博伊德(DavidBoyd)表示，因实验差错在过度加热的铜箔上形成了高品质的石墨烯，由另一成员林伟翔 ——他当时是经由龙门计划从台大到加州理工学院的交换研究生—— 注意到这片逾时加热的铜箔似乎与其他的铜箔不同。林伟翔将此现象告知博伊德，于是他们用拉曼光谱仪——一种用于检测、识别石墨烯的仪器——对铜箔进行了检查，发现石墨烯层已经形成，由此才发现了此次的工艺；透过这个新的技术，可以在更短的时间与较低的温度下，生长大尺度、电子等级的石墨烯。
这种不需加热的生产方式不仅减少了加工费用，以往的方法中由热膨胀和收缩所引入的内部缺陷也有所改善。“传统的高温生长技术不仅要花费数十个小时，还需九到十个不同步骤，”叶乃裳说道，“而我们的生产技术只需一个5分钟的步骤，优势很明显。”
叶乃裳的团队与一些台湾学者(以台大吴志毅教授与中研院物理研究所张嘉升研究员为主导)合作之后又发现，这种方法生产的石墨烯质量也高于传统方法：新方法生产的石墨烯具有更少的缺陷，因此具有更高的力学强度;此外，它的电子转换率达到了目前人工合成石墨烯的最高值。
他们认为，这项技术成功的关键在于氢等离子与实验箱中的空气分子通过化学反应生成了含氰基的CN 自由基——一种脱除了自身电子的分子。这些分子犹如微小的超级刷子，可有效除去铜表面的杂质，为石墨烯的生长提供一个纯净的表面。
研究还发现，这项生产技术可改变石墨烯的生长方式。在传统的热工过程中，石墨烯片是通过沉积物的随机拼凑而成。新技术生产的石墨烯有序程度更高。石墨烯的沉积物先形成一行，再形成紧密连接的片状。这样的石墨烯力学和电气性能的完整性也更好。
“对原始的氢等离子体技术进行改进后，这项技术将为电子制造业敞开新的大门。”叶乃裳说道。“比如，这种缺陷更少的石墨烯片可使材料免于受外界环境的影响而降解。此外，我们还可能生产出更大片的石墨烯，并将其用于制造太阳能电池和大屏幕显示器的透明导电电极等。在未来，你甚至可能用上太阳能电池发电的石墨烯手机屏显示器(display)。”
她还提到了另外一个可能性：通过在石墨烯结构中人为地引入缺陷控制其力学性能和电学性能。“如果能够实现石墨烯的奈米级拉伸，你就能设计它的具体性质。但是要实现这项工作，你需要一片十分光滑且无内部缺陷的石墨烯，”叶乃裳说道，“如果你的石墨烯片上随处可能存在缺陷，你就无法实现这项工作。”
石墨烯的潜在应用范围十分广泛，包括：单分子气体侦测、石墨烯奈米带、积体电路、石墨烯电晶体、透明导电电极、导热材料／热介面材料、场发射源及其真空电子器件、超级电容器、海水淡化、太阳能电池、石墨烯生物器件、抗菌物质及石墨烯感光元件等。
根据市场研究公司IDTechEx的独立研究报告，石墨烯是在2014年是一个2000万美元左右的市场，但2024年它可能成长为一个3.9亿美元市场。
一旦吴志毅与叶乃裳台美合作“龙门计划”研究团队的这项新技术，投入商业化大量生产，相信产值必能在IDTechEx的预测值上大幅度的提升，影响更深远。◇
责任编辑：方平
