解析石墨烯特性、應用以及發(fā)展狀況

　　近日，中國石墨烯標準化論壇發(fā)布了全球首臺商用石墨烯飛秒光纖激光器。該產(chǎn)品解決了石墨烯大規模低成本轉移以及石墨烯與光場(chǎng)強相互作用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(wú)疑是過(guò)去十年，乃至未來(lái)幾十年，所有材料“明星”中最耀眼的一顆。如果說(shuō)20世紀是硅的世紀，神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒。

　　雖然發(fā)現至今尚不足十年，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(zhù)人們對它的認識逐漸明晰，其神秘面紗就像發(fā)現之初那樣被一層層揭開(kāi)——薄且堅硬，透光度好，導熱性強，導電率高，結構穩定，電子遷移速度快，能在常溫下觀(guān)察到量子霍爾效應……

　　從假設到現實(shí)

　　石墨烯的發(fā)現，之所以意義重大，是因為它創(chuàng )造了諸多“紀錄”

　　石墨烯是構成石墨、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。

　　石墨烯的結構一直被認為只存在于理論之中，無(wú)法單獨穩定存在。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(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。通過(guò)反復的操作，石墨片變得越來(lái)越薄。最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。

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

　　石墨烯的發(fā)現，之所以意義重大，是因為它創(chuàng )造了諸多“紀錄”。

　　石墨烯是世上最薄的材料。

　　“石墨烯只有0.34納米厚，十萬(wàn)層石墨烯疊加起來(lái)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(jiàn)它的。”中科院重慶研究院微納制造與系統集成研究中心副主任史浩飛接受《中國科學(xué)報》記者采訪(fǎng)時(shí)如此描述。

　　石墨烯是人類(lèi)已知強度最高的物質(zhì)。

　　它比鉆石還堅硬，強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試石墨烯的承受能力，在被實(shí)驗的石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力竟然達到了2.9微牛左右。這意味著(zhù)，“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，遠遠高出其在硅、銅等傳統半導體和導體中的速率。

　　“電子在石墨烯里邊好像沒(méi)有質(zhì)量一樣，運動(dòng)速度非?？?。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授曾長(cháng)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)性能彰顯出應用前景。中科院院士高鴻鈞對此表示：“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。”

　　引導科技革命

　　在世界范圍內，針對石墨烯研究與應用的熱潮在持續涌動(dòng)

　　石墨烯神秘又神奇的特殊性能讓人們對它的應用充滿(mǎn)幻想。

　　在國內，有關(guān)石墨烯的應用研究開(kāi)展得如火如荼。

　　我國在石墨烯的基礎研究與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)中處于世界前列，多支研究隊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)現轉讓?zhuān)亲屟芯空吲c開(kāi)發(fā)者蠢蠢欲動(dòng)。

　　在世界范圍內，針對石墨烯研究與應用的熱潮在持續涌動(dòng)。

　　據劍橋知識產(chǎn)權公司的統計數據顯示，截至今年5月，全球已經(jīng)獲批和正在申請的石墨烯專(zhuān)利共計9218項，專(zhuān)利申請數量在過(guò)去5年更是增加了4倍;自2004年開(kāi)始，石墨烯領(lǐng)域的相關(guān)研究論文呈指數上升趨勢，迄今論文總數已超過(guò)2萬(wàn)篇，僅2012年一年就超過(guò)了6000篇。

　　“從來(lái)沒(méi)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(cháng)淦感慨，雖然國內外目前還沒(méi)有實(shí)實(shí)在在的石墨烯產(chǎn)品問(wèn)世，“但它是眾多‘明星’材料中最接近應用的材料。”

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

　　其中，透明電極的應用最引人注目。

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

　　傳統的電導電極應用的是氧化銦錫，而這種材料脆度較高，比較容易損毀。

　　與之相比，石墨烯不僅更加堅硬，性能也更好。

　　“氧化銦錫光通過(guò)率比較低，用石墨烯的話(huà)，顯示器的屏幕會(huì )更亮。”曾長(cháng)淦表示，石墨烯在透明電極方面的應用會(huì )大幅降低電子設備的成本，并使其更省電、更清晰，“十年內，石墨烯在透明電極方面肯定能夠實(shí)現商業(yè)化”。

　　97%以上的光通過(guò)率在為透明電極的應用帶來(lái)變革的同時(shí)，也使太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的升級成為可能。

　　據專(zhuān)家介紹，當前市面上的太陽(yáng)能電池板基本為多晶硅，其光電轉換率為30%左右，而石墨烯太陽(yáng)能技術(shù)的光電轉換效率高達60%，是現有多晶硅太陽(yáng)能技術(shù)的2倍。

　　近期，美國麻省理工學(xué)院與蘋(píng)果公司相繼發(fā)布研究報告，論述了石墨烯作為太陽(yáng)能電池為電子設備提供能源的可能，蘋(píng)果公司更是為此提交了專(zhuān)利申請，為在電子設備中搭載石墨烯太陽(yáng)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》記者采訪(fǎng)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電接觸，在電極中構建三維導電網(wǎng)絡(luò )，因而可大幅提升電池綜合性能。

　　初步實(shí)驗結果表明，與常規方案的電池相比，采用石墨烯導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)入應用領(lǐng)域、實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的攔路虎之一

　　盡管?chē)鴥韧饪茖W(xué)家對石墨烯的研究越來(lái)越透徹，對其應用的探索成果也不斷涌現，然而市面上卻鮮有真正的石墨烯材料產(chǎn)品問(wèn)世。

　　制備技術(shù)是石墨烯進(jìn)入應用領(lǐng)域、實(shí)現產(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)格一度達到每克5000元，是黃金的十幾倍。

　　高鴻鈞在去年年底召開(kāi)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。“挑戰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)現了重大突破。劉兆平率領(lǐng)研究團隊歷經(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(lái)國外客戶(hù)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)研究團隊均與上海南江集團聯(lián)合創(chuàng )建了專(zhuān)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)驗室的曾長(cháng)淦研究團隊更是另辟蹊徑，將常規的基于氣態(tài)碳源的銅表面石墨烯生長(cháng)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(cháng)的最低溫度。

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