解析石墨烯特性、應(yīng)用以及發(fā)展?fàn)顩r

近日，中國石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化論壇發(fā)布了全球首臺(tái)商用石墨烯飛秒光纖激光器。該產(chǎn)品解決了石墨烯大規(guī)模低成本轉(zhuǎn)移以及石墨烯與光場(chǎng)強(qiáng)相互作用的關(guān)鍵技術(shù)問題。一時(shí)間，石墨烯在激光技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注。

2004年，兩位俄裔英籍科學(xué)家將石墨烯成功從石墨中分離。石墨烯集合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身。石墨烯無疑是過去十年，乃至未來幾十年，所有材料“明星”中最耀眼的一顆。如果說20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，神奇的石墨烯則是21世紀(jì)新材料的寵兒。

雖然發(fā)現(xiàn)至今尚不足十年，石墨烯卻不斷在科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界引發(fā)一輪輪波瀾。隨著人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)逐漸明晰，其神秘面紗就像發(fā)現(xiàn)之初那樣被一層層揭開——薄且堅(jiān)硬，透光度好，導(dǎo)熱性強(qiáng)，導(dǎo)電率高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電子遷移速度快，能在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)……

從假設(shè)到現(xiàn)實(shí)

石墨烯的發(fā)現(xiàn)，之所以意義重大，是因?yàn)樗鼊?chuàng)造了諸多“紀(jì)錄”

石墨烯是構(gòu)成石墨、木炭、碳納米管和富勒烯等碳同素異形體的基本單元材料，是一種二維晶體。

石墨烯的結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為只存在于理論之中，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在。直至2004年，英國物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地從石墨中分離出石墨烯，才證實(shí)它可以單獨(dú)存在。

最初，科學(xué)家從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。通過反復(fù)的操作，石墨片變得越來越薄。最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。

憑借“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，這兩位科學(xué)家共同獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)，之所以意義重大，是因?yàn)樗鼊?chuàng)造了諸多“紀(jì)錄”。

石墨烯是世上最薄的材料。

“石墨烯只有0.34納米厚，十萬層石墨烯疊加起來的厚度大概等于一根頭發(fā)絲的直徑，人們用肉眼是看不見它的。”中科院重慶研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心副主任史浩飛接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)如此描述。

石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。

它比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。

哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家用金剛石制成的探針測(cè)試石墨烯的承受能力，在被實(shí)驗(yàn)的石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力竟然達(dá)到了2.9微牛左右。這意味著，“如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品”。

石墨烯電阻率極低，電子遷移的速度極快。

在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，遷移速率僅為光速的三百分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其在硅、銅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體和導(dǎo)體中的速率。

“電子在石墨烯里邊好像沒有質(zhì)量一樣，運(yùn)動(dòng)速度非常快。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授曾長淦表示，“電子能量不會(huì)被損耗的特點(diǎn)，使這種材料具有了非比尋常的優(yōu)良特性。”

它的另一特性讓材料學(xué)家更為驚喜，該材料幾乎完全透光，透光率在97%以上。

2012年，美國IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路，使得石墨烯特殊的電學(xué)性能彰顯出應(yīng)用前景。中科院院士高鴻鈞對(duì)此表示：“石墨烯材料具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，有望被用于制造新一代高性能電子學(xué)器件。”

引導(dǎo)科技革命

在世界范圍內(nèi)，針對(duì)石墨烯研究與應(yīng)用的熱潮在持續(xù)涌動(dòng)

石墨烯神秘又神奇的特殊性能讓人們對(duì)它的應(yīng)用充滿幻想。

在國內(nèi)，有關(guān)石墨烯的應(yīng)用研究開展得如火如荼。

我國在石墨烯的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)中處于世界前列，多支研究隊(duì)伍在石墨烯的性能研究與制備技術(shù)方面取得突破性成果。其中，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的石墨烯薄膜制備技術(shù)以2.1億元人民幣的價(jià)格實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)讓，更是讓研究者與開發(fā)者蠢蠢欲動(dòng)。

在世界范圍內(nèi)，針對(duì)石墨烯研究與應(yīng)用的熱潮在持續(xù)涌動(dòng)。

據(jù)劍橋知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至今年5月，全球已經(jīng)獲批和正在申請(qǐng)的石墨烯專利共計(jì)9218項(xiàng)，專利申請(qǐng)數(shù)量在過去5年更是增加了4倍;自2004年開始，石墨烯領(lǐng)域的相關(guān)研究論文呈指數(shù)上升趨勢(shì)，迄今論文總數(shù)已超過2萬篇，僅2012年一年就超過了6000篇。

“從來沒有一種材料能像石墨烯這樣在各個(gè)領(lǐng)域都廣受關(guān)注。”曾長淦感慨，雖然國內(nèi)外目前還沒有實(shí)實(shí)在在的石墨烯產(chǎn)品問世，“但它是眾多‘明星’材料中最接近應(yīng)用的材料。”

超輕防彈衣、超強(qiáng)光轉(zhuǎn)換效率激光武器、超薄超輕型飛機(jī)、超薄能折疊的手機(jī)、高強(qiáng)度航空材料、高性能儲(chǔ)能和傳感器、超級(jí)電容器，甚至更富想象力的太空電梯，越來越多基于石墨烯材料的未來設(shè)備進(jìn)入科學(xué)家的研究視野。

其中，透明電極的應(yīng)用最引人注目。

“石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。”曾長淦表示，如今電子產(chǎn)品中的觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。

傳統(tǒng)的電導(dǎo)電極應(yīng)用的是氧化銦錫，而這種材料脆度較高，比較容易損毀。

與之相比，石墨烯不僅更加堅(jiān)硬，性能也更好。

“氧化銦錫光通過率比較低，用石墨烯的話，顯示器的屏幕會(huì)更亮。”曾長淦表示，石墨烯在透明電極方面的應(yīng)用會(huì)大幅降低電子設(shè)備的成本，并使其更省電、更清晰，“十年內(nèi)，石墨烯在透明電極方面肯定能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化”。

97%以上的光通過率在為透明電極的應(yīng)用帶來變革的同時(shí)，也使太陽能產(chǎn)業(yè)的升級(jí)成為可能。

據(jù)專家介紹，當(dāng)前市面上的太陽能電池板基本為多晶硅，其光電轉(zhuǎn)換率為30%左右，而石墨烯太陽能技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%，是現(xiàn)有多晶硅太陽能技術(shù)的2倍。

近期，美國麻省理工學(xué)院與蘋果公司相繼發(fā)布研究報(bào)告，論述了石墨烯作為太陽能電池為電子設(shè)備提供能源的可能，蘋果公司更是為此提交了專利申請(qǐng)，為在電子設(shè)備中搭載石墨烯太陽能電池提供解決方案。

中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員劉兆平在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，石墨烯微片可以與鋰離子電池電極活性材料顆粒形成二維導(dǎo)電接觸，在電極中構(gòu)建三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因而可大幅提升電池綜合性能。

初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)方案的電池相比，采用石墨烯導(dǎo)電劑的鈷酸鋰電池容量高出3%，放電容量從72%提高到92%。

突破制備技術(shù)

制備技術(shù)是石墨烯進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的攔路虎之一

盡管國內(nèi)外科學(xué)家對(duì)石墨烯的研究越來越透徹，對(duì)其應(yīng)用的探索成果也不斷涌現(xiàn)，然而市面上卻鮮有真正的石墨烯材料產(chǎn)品問世。

制備技術(shù)是石墨烯進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的攔路虎之一。高成本的制備技術(shù)推升了石墨烯的市場(chǎng)價(jià)格，其價(jià)格一度達(dá)到每克5000元，是黃金的十幾倍。

高鴻鈞在去年年底召開的以石墨烯為主題的香山科學(xué)會(huì)議上直言，我國在石墨烯制備方法研究領(lǐng)域還面臨較大挑戰(zhàn)。“挑戰(zhàn)主要在于如何制備大面積、雜質(zhì)缺陷可控的高質(zhì)量單晶材料以及如何改進(jìn)現(xiàn)有硅基工藝融合的石墨烯加工技術(shù)。”

盡管如此，我國科學(xué)家在石墨烯的制備技術(shù)研發(fā)方面仍然實(shí)現(xiàn)了重大突破。劉兆平率領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年努力，研發(fā)出了石墨烯產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)，將石墨烯的制造成本從每克5000元降至每克3元，直接帶來國外客戶的大量訂單。

今年年初，中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院宣布實(shí)現(xiàn)了15英寸單層石墨烯的制備，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出7英寸石墨烯觸摸屏。

值得一提的是，上述兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)均與上海南江集團(tuán)聯(lián)合創(chuàng)建了專業(yè)的石墨烯生產(chǎn)公司，分別量產(chǎn)石墨烯微片與石墨烯薄膜。

微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室的曾長淦研究團(tuán)隊(duì)更是另辟蹊徑，將常規(guī)的基于氣態(tài)碳源的銅表面石墨烯生長需要1000℃的高溫降至300℃，創(chuàng)造了石墨烯化學(xué)氣相沉積法生長的最低溫度。

“隨著石墨烯制備技術(shù)的升級(jí)，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的條件也不斷成熟，相信在未來幾年，石墨烯制成的新產(chǎn)品將不斷涌現(xiàn)。”曾長淦表示。