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石墨烯:改变世界的神奇材料
来源:中国石墨烯网 编辑:中国石墨烯网 时间:2013-07-19 点击:
    非凡的导电性能、超强的强度、极佳的透光特性

 
图为由石墨烯和碳纳米管制成的超轻材料。右图为石墨烯在柔性电子上的应用。资料图片
 
石墨烯的结构示意图
 

    2010年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫,两位最早发现并揭示石墨烯独特性质的科学家获得当年诺贝尔物理学奖。石墨烯从此进入大众视野,成为材料家族中光芒四射的新星。
  
    石墨烯不是一种天然存在的材料。人们常见的石墨是由可以机械剥离的石墨片组成。由于石墨片层与层之间作用力较弱,当石墨被剥离至单层,仅有一个碳原子的厚度时,这层石墨片就是石墨烯。它是由碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构的二维材料,看上去近似一张六边形网格构成的平面。
  
    在材料大家族中,石墨烯只是个晚辈。2004年,海姆和诺沃肖洛夫领导的研究小组,将石墨片黏在两片特殊的胶带之间,撕开胶带,石墨片就被减薄,一分为二。如此反复操作,薄片越来越薄,最终在显微镜下发现了石墨烯。人们发现,它的厚度只有0.34纳米,一片1毫米厚的石墨片由近300万层石墨烯堆垛而成。
石墨烯的发现及其独特性质刺激了全球研究者的神经,更有人将其称之为“改变21世纪的材料”。

    性能超强
  
    石墨烯具有非凡的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极佳的透光特性
  
    石墨烯具有完美的二维平面结构,它蕴含的丰富而新奇物理现象的奥秘就来源于此。
  
    石墨烯拥有完美的对称正六边形结构,非常稳定,而且各个碳原子之间的连接很柔韧,即使受到外力冲击,也可以通过弯曲变形来维持稳定。
  
    这一独特结构使石墨烯几乎集合了世界上众多材料的最优质品质。据测试,它是迄今为止自然界中最强的二维材料,强度通常为普通钢材料的数十倍。有人曾测算,一块1平方米的石墨烯吊床足以承受一只4公斤重的猫,而该吊床的重量仅为0.77毫克,比猫的腮须还轻,肉眼根本看不到。
  
    最让科学界瞩目的,是它超强的导电性能。中国科学院半导体研究所研究员谭平恒介绍,石墨烯具有独特的线性电子能带结构,其传导电子是无质量的狄拉克费米子。电子在石墨烯中运动几乎没有阻力,迁移速度极快,是世上已知的电阻率最小的材料。因为这一特点,石墨烯被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。
  
    石墨烯还有优异的室温导热性和透光性。它的导热性能优于碳纳米管和金刚石,且几乎完全透明,只吸收2.3%的光。透明、良好的导电特性,使它极适合制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

    应用广阔
  
    在电子、航天军工、新能源等领域有广泛的应用潜力,有望引发现代电子科技新革命
  
    石墨烯“出道”虽短,但其高强度、高导电性、极轻薄等优势,使产业界迅速嗅到了其在电子、航天军工、生物、新能源、半导体等领域可能的应用潜力。
  
    目前的电子器件工业中,硅是主流的材料,而石墨烯的特性使其有望在很多方面代替硅。中国科学院物理研究所研究员、中国科学院院士高鸿钧表示,石墨烯在未来电子器件上具有诱人的应用前景,被看作是石墨烯研究最可能突破、实现产业化的领域,成为国际上的研究热点和竞争焦点。
  
    韩国三星公司是石墨烯研究的最大投资者之一。2010年,韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,成功制备出电视机大小的纯石墨烯,并用该石墨烯制造了柔性触摸屏。这是石墨烯在柔性电子应用上的首次成功尝试。
  
    高鸿钧说,三星公司的成果展示了石墨烯在未来柔性电子上广泛应用的可能性,很大程度上影响了当年诺贝尔物理学奖的归属。
  
    在能源领域,石墨烯有望在超级电容器和锂离子电池发展上一展抱负。超级电容器是一个高效存储和传递能量的体系,而石墨烯拥有大的比表面积、规范的多孔结构、高电导率和热稳定性,使其成为最有潜力的电极材料。据悉,美国科学家在今年上半年研发出一种以石墨烯技术为基础的“超级电容器”,其充电速率远高于普通电池,一部iPhone手机充满电仅需5秒钟。而用石墨烯制备的锂离子电池,在增加电极储能的同时,可以减少锂离子的扩散距离,提高锂电池的充放电效率和稳定性。
  
    石墨烯在食品加工等生物领域也有用武之地。科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损,人们可以利用这一特点做绷带、食品包装等。

    产业瓶颈
  
    如何大规模制备高质量、大尺寸、低成本的石墨烯是产业化亟待解决的问题
  
    尽管科学界的石墨烯研究迅速推进,也吸引了投资和关注,但研究者对其产业化仍持谨慎态度。
  
    谭平恒说,有关石墨烯的众多应用研究目前多数还处于实验室阶段,它的神奇性能能否完全在应用上显现,还需科学家进一步分析和测试。
  
    产业界多数企业还处于尝试性探索阶段。一个重要瓶颈是,产业化所需的高质量、大尺寸、低成本的石墨烯制备方式并不成熟。
  
    诺奖获得者海姆和诺沃肖洛夫得到石墨烯的方式,被称之为微机械剥离法,这一方式至今仍是实验室获取石墨烯进行基础研究的重要手段。谭平恒说,该方法得到的石墨烯质量高,但尺寸较小,且极费人工、成本很高。在石墨烯研究初期,微机械剥离制备的1平方微米石墨烯的价格甚至达到一欧元左右。
  
    其它方法,如化学气相沉积法,虽然可以制备出大面积的石墨烯,但质量仍有待提高,且工艺较为复杂;溶剂剥离法可以实现石墨烯的大批量制备,但含有较多的缺陷。
  
    2009年,高鸿钧团队在金属钌单晶表面获得高质量大面积的单晶石墨烯材料,取得了制备法的重大突破。但高鸿钧认为,石墨烯并不能取代硅,在某些方面,或许可以取代硅的部分功能。他说,硅材料发展已有数十年历史,应用成熟,不是一个新材料在短时间内可以替代或超越的。
  
    谭平恒说,上世纪90年代,碳纳米管凭借其优异的光电性能,成为碳纳米材料家族的明星,正是因为其规模化工业应用的困难,一直没能达到人们的期望。
  
    在石墨烯的某些应用中,需要将其转移到合适的衬底上,而与衬底的相互作用可能会造成石墨烯性能的部分改变。
  
    “石墨烯要实现产业化应用,不仅要解决如何制备出高质量和大面积的材料,还需要解决石墨烯在器件集成方面的一些关键问题。”谭平恒说,当前两者均没有得到很好的解决。

    新闻链接

    国外产业化介入较早,我国应用相对薄弱
  
    中国科学院物理研究所研究员、中国科学院院士高鸿钧介绍,对石墨烯的研究,我国起步虽相对较晚,研究跟进却很快。据统计,我国在国际权威期刊上发表的与石墨烯相关论文已经居世界第一。
  
    “但我们存在两个不足。首先,虽然研究群体大、成果多,但突出性、原创性成果较少,我们采用他人成熟的方法,始终处于落后位置,重大创新十分有限,因此要在材料制备方法上寻求突破;此外,主要集中在基础研究,产业应用相对薄弱。”高鸿钧说,欧洲、美国、韩国等国企业介入比较早,成果应用转化也走在世界前列。
  
    据介绍,欧盟委员会今年初宣布,“神奇的材料石墨烯”研究被列入“未来新兴技术旗舰项目”,未来10年内将分别获得10亿欧元的经费。
  
    该旗舰项目的使命,是让石墨烯从实验室走向社会,促进经济增长并创造新就业,吸引了包括海姆和诺沃肖洛夫在内的三位诺贝尔奖获得者,以石墨烯的制备为核心,重点关注在信息通讯技术和交通等领域的应用。
  
    韩国三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。2012至2018年间,韩国原知识经济部预计将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助,其中1.24亿美元用于石墨烯技术研发,1.26亿美元用于石墨烯商业化应用研究。
  
    数据显示,2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片,产值超过130亿美元。到2015年,平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片。这都为石墨烯的应用提供了诱人前景。
  
    2011年,美国IBM已经研制出了世界首款由石墨烯圆片制成的集成电路,把石墨烯计算机芯片推进了一大步。
  
    高鸿均表示,我国在重视石墨烯基础研究的同时,还需要加强石墨烯的应用基础和产业化研究。简单重复国外的应用研究,未来可能在专利方面受制于人。他建议,石墨烯的应用和基础研究应该齐头并进,不可偏废。在进一步加深对其物理特性深入研究以获得突出原创性成果的同时,也要加强石墨烯产业化探索方面的研究。

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