石墨烯的應(yīng)用前景與現(xiàn)狀

1、石墨烯應(yīng)用前景及現(xiàn)狀(1) 、可做“太空電梯”纜線石墨烯不僅可用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢寐以求的 2.3萬英里長太空電梯成為 現(xiàn)實(shí)。研究人員表示，如果這種方法被證明可用以成批制造石墨烯光 纖，將能降低超堅(jiān)固炭素復(fù)合材料的成本，炭素復(fù)合材料在航空航天、 汽車和建筑等領(lǐng)域具有廣泛的用途。(2) 、代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品硅讓我們邁入了數(shù)字化時(shí)代，但研究人員仍然渴望找到一些新材 料，讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中，石墨烯最引人矚目。石墨烯值得炫耀的優(yōu)點(diǎn)有很多，比如超高強(qiáng)度、高透光性以及超強(qiáng)導(dǎo)電性，這讓它成為了制造可彎曲顯示設(shè)備和超高速電子器

2、件的理想材料。石墨烯如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、 存儲(chǔ)器和其他器 件的原型樣品當(dāng)中。國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM )己研制出運(yùn)行速度最快的石墨烯晶體 管olBM公司于2010年12月發(fā)布了其與美國麻省理工學(xué)院(MIT)的共 同研究成果一一在SiC基板上形成的柵長為240nm的石墨烯場效應(yīng)晶 體管(FET),并驗(yàn)證其截止頻率為230GHz。石墨烯通過熱外理SiC基板 而成膜。IBM表示,計(jì)劃將其應(yīng)用于高頻RF元件。Rice大學(xué)研究人員正在著手研究一類存儲(chǔ)單元密度至少為閃存 兩倍的石墨烯片狀存儲(chǔ)器。石墨烯是由沒有卷成納米管的純炭原子薄 膜構(gòu)成，此次Rice大學(xué)研究人員首次將石墨烯用于架構(gòu)更簡單的雙端存儲(chǔ)

3、器件科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨 烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭 羊,一些電子設(shè)各，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來越多的信 息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機(jī)的工作 頻率越高，熱量也越高。于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石 墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微 電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的 替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。(3) 、光子傳感器石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上，用于檢測光纖中攜帶的信息?，F(xiàn)在，這個(gè)角色還在由硅擔(dān)當(dāng)，但

4、硅的時(shí)代似乎 就要結(jié)束。去年10月,IBM的一研究小組首次披露了他們研制的石墨 烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和 液晶顯示屏了。英國劍橋大學(xué)及法國CNR的研究人員已經(jīng)制造出超快鎖模石墨 烯激光器。由于石墨烯為零能隙的半導(dǎo)體 ，這項(xiàng)研究成果不僅令人意 外，而且顯示了石墨烯在光電器件上大有可為。(4) 、納電子器件石墨烯是納米電路的理想材料，也是驗(yàn)證量子效應(yīng)的理想材料。但是由于完整的石墨烯基本沒有帶隙，極大地限制了它在半導(dǎo)體器件 上的應(yīng)用，所以為石墨烯開啟一個(gè)帶隙，是一件非常重要的課題。近來 研究表明,一維尺度受限的石墨烯納米帶具有一定的帶隙，可以獲得高 性能的晶體場效

5、應(yīng)管，增加芯片速度與效能、降低耗熱量。然而，制備 寬度小于10nm的石墨烯納米帶是非常困難的問題。在納電子器件方面石墨烯的可能應(yīng)用包括 ：電子工程領(lǐng)域極具吸 引力的室溫彈道場效應(yīng)管；進(jìn)一步減小器件開關(guān)時(shí)間，THz超高頻率的 操作響應(yīng)特性；探索單電子器件在同一片石墨烯上集成整個(gè)電路。據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)2010年6月10日 報(bào)道，美國科研人員利 用石墨烯制造納米電路領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。設(shè)計(jì)出了簡便、快速的 納米電線制造方法，能夠調(diào)諧石墨烯的電學(xué)特征，使氧化石墨烯從絕緣 物質(zhì)變成導(dǎo)電物質(zhì)。美國曼徹斯特大學(xué)的研究人員用石墨烯制成了分子級(jí)電子電路。石墨烯可以被刻成擁有單個(gè)晶體管的電子電路 ，其尺寸不比

6、分子大多 少，晶體管尺寸越小，其功能越強(qiáng)。研究人員還表示，從氧化石墨烯到石 墨烯的簡單轉(zhuǎn)換是制造導(dǎo)電性納米線的重要途徑 ，其不僅可應(yīng)用于軟 性電子學(xué)領(lǐng)域，還有望用于生產(chǎn)與生物兼容的石墨烯電線，可被用于測 量單個(gè)生物細(xì)胞的電子信號(hào)。(5) 、優(yōu)良的太陽能電池因?yàn)槭┦峭该鞯?，用它制造的電板比其他材料具有更?yōu)良的 透光性。透明的石墨烯薄可制成優(yōu)良的太陽能電池。美國魯特格大學(xué)開發(fā)出一種制造透明石墨烯薄膜的技術(shù)，這是一種幾厘米寬、1 5nm 厚的薄膜。石墨烯薄膜是一種平坦的單原子碳薄，可用于取代透明導(dǎo)電的ITO電極用于有機(jī)太陽能電池。這些薄膜還用于取代顯示屏中 的硅薄膜晶體管。石墨烯運(yùn)送電子的速度比

7、硅快幾十倍 ，因而用石墨 烯制成的晶體管工作得更快、更省電。美國南加州大學(xué)的研究人員開 發(fā)了一種柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有機(jī)太陽電池。(6) 、單分子傳感器美國倫斯勒理工學(xué)院的研究者最近發(fā)表的三項(xiàng)新研究成果表明 石墨烯應(yīng)該用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)和飛機(jī)機(jī)翼的增強(qiáng)復(fù)合材料。石墨烯可用作吸附劑、催化劑載體、熱傳輸媒體 ，可制成具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的電 子元件，應(yīng)用于電池/電容器，即使在生物技術(shù)方面也可得到應(yīng)用。2010年,美國萊斯大學(xué)利用該石墨烯量子點(diǎn)，制作單分子傳感器。 萊斯大學(xué)將石墨烯薄片與單層氦合形成石墨烷。 氦使導(dǎo)電的石墨烯變 換成為絕緣的石墨烷。研究人員移除石墨烯薄片兩面的氦原子島，就形成

8、了被石墨烷絕緣體包圍的、 微小的導(dǎo)電的石墨烯阱。該導(dǎo)電的石 墨烯阱就可作為量子阱。量子點(diǎn)的半導(dǎo)體特性要優(yōu)于體硅材料器件。 這一技術(shù)可用來制作化學(xué)傳感器、 太陽能電池、醫(yī)療成像裝置或是納 米級(jí)電路等。(7) 、觸摸面板試制品不斷面世除了高速高靈敏度器件之外，透明導(dǎo)電膜也是最接近實(shí)用化的的 應(yīng)用例。設(shè)想作為目前普遍使用的ITO的替代材料，用于觸摸面板、 柔性液晶面板、太陽能電池及有機(jī) EL照明等。試制品也接二連三地 面世。透明導(dǎo)電膜這一用途備受期待的原因在于， 石墨烯具備較高的載 流子遷移率且厚度較薄。一般來說，高透明性與高導(dǎo)電性是互為相反的性質(zhì)。從這一點(diǎn)來看，ITO正好處在透明性與導(dǎo)電性微妙的此

9、消彼 長（Trade-off）關(guān)系的邊緣線上（如下圖）。這也是超越ITO的替代 材料遲遲沒有出現(xiàn)的原因。10a會(huì)反射所有可見光f金屬.IAl可透過所有可見光可透過近中紅外線波長約4則）沖咖富:嚴(yán)二多層石墨晞薄片f7假設(shè)層昔了易層石齬 烯薄片條件下的換算 結(jié)黑可透過太赫波（波長約100m）檢據(jù)七眄菊片的載濫子 于數(shù)求得的數(shù)值1O13 -石墨烯在理論上有望避開這種此消彼長的關(guān)系成為理想的透明導(dǎo)電膜。其原因是，由于載流子遷移率非常高，即使載流子密度較低， 導(dǎo)電性也不容易下降。而載流子密度較低的話，會(huì)比較容易穿過更大 波長范圍的光。相當(dāng)于單個(gè)原子的超薄厚度同樣有助于提高透明性。不僅是可見光，石墨烯還可

10、透過大部分紅外線，這一性質(zhì)目前已為人 所知。因此，對(duì)于還希望利用紅外線來發(fā)電的太陽能電池而言，石墨 烯有望成為劃時(shí)代的透明導(dǎo)電膜。與不適于彎曲的ITO相比，還具備柔性較高的優(yōu)勢。不過，透明導(dǎo)電膜目前還存在很多問題。由于制作大面積石墨烯 時(shí)會(huì)混入很多雜質(zhì)及缺陷，因此大多數(shù)試制品的導(dǎo)電性及透明性都未 達(dá)到ITO的水平。即便如此，石墨烯仍有望用來制作觸摸面板 （如下 圖所示）。利用石學(xué)烯試制的觸摸面棣血）利用CWT試制的觸提面板（C）利用石墨烯或CNT試制的透明導(dǎo)電腥試制機(jī)構(gòu)|尺寸薄片電陰光透射率制作的器件ii成均館大學(xué)及二星 電子等單層石墨烯如英寸125O/Z97%無4屋石砂孔英寸90%觸蟆面板產(chǎn)

11、綜研單層石季壞A4紙大小1k-2kQ/L80%釉摸面檢奇美電子CNT3,2芙寸耒處開37,腫摸面檢某材糾廠商 £未公開）CNT未公開500Q/Z洌恥m晴i it富士電機(jī)控腕17層1cm37oon/j90%無設(shè)想為太陽能電池）埼玉大學(xué)上野研還原后的氧化五墨烯0,105cm185%有機(jī)薄膜木陽能電池非毎比石禺屛粉未未公幵5kQ/未公幵有機(jī)酶，腹左陽能電池（a）為產(chǎn)綜研以石墨烯為透明導(dǎo)電膜制作的觸摸面板。（b）為使用CNT的例子。（c）表示試制例的性能及用途。（d）由產(chǎn)綜研提供。這個(gè)觸摸屏的工作原理很容易理解，觸摸屏由上下兩層粘在PET 薄膜上的石墨烯構(gòu)成，沒有接觸的情況下，兩層石墨烯被下

12、層上放置 的絕緣點(diǎn)陣阻隔而互不接觸。當(dāng)外界壓力存在的時(shí)候，PET薄膜和石 墨烯在壓力下發(fā)生形變，這樣上下兩層石墨烯就發(fā)生接觸，電路連通。接觸的位置不同，器件邊緣電極收集到的電信號(hào)也不一樣， 通過對(duì)電 信號(hào)的分析，就可以確定是觸摸屏上的哪個(gè)位置發(fā)生了接觸。三星公司的成功，讓人們看到，這種生成大尺寸石墨烯的方法完全適合于工 業(yè)應(yīng)用，而且相對(duì)于傳統(tǒng)方法，成本低了很多。(8) 、石墨烯納米生物傳感器2010年3月，在中國科學(xué)院院長特別基金和國家自然基金項(xiàng)目的 支持下，國家納米科學(xué)中心石墨烯納米生物傳感器研究取得突破。國 家納米科學(xué)中心和美國哈佛大學(xué)合作首次成功制備了石墨烯與動(dòng)物 心肌細(xì)胞的人造突觸，建

13、立了一維、二維納米材料與細(xì)胞相結(jié)合的獨(dú) 特研究體系，為生物電子學(xué)的研究帶來了新的機(jī)遇。(9) 、高速光學(xué)調(diào)制器美國華裔科學(xué)家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器， 科學(xué)家表示，這個(gè)只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速 信號(hào)傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高 清電影指日可待。這項(xiàng)研究的突破點(diǎn)就在于，用石墨烯這種世界上最 薄卻最堅(jiān)硬的納米材料，做成一個(gè)高速、對(duì)熱不敏感，寬帶、廉價(jià)和 小尺寸的調(diào)制器，從而解決了業(yè)界長期未能解決的問題。(10) 、石墨烯納米抗菌材料2010年8月20日，美國化學(xué)會(huì)ACS納米雜志報(bào)道了中國科學(xué) 院上海應(yīng)用物理研究所物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室在新型

14、石墨烯納米抗菌材 料方面的研究工作。上海應(yīng)用物理所物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生 胡文兵等在樊春海和黃慶研究員的指導(dǎo)下探索了氧化石墨烯的抗菌特性，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2h后，對(duì)其抑制率超過90%進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氧化石墨烯的抗菌性源于其對(duì)大腸 桿菌細(xì)胞膜的破壞。更重要的是：氧化石墨烯不僅是一種新型的優(yōu)良 抗菌材料,而且對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞毒性很小。此外，通過抽濾 法能夠?qū)⒀趸┲苽涑杉埰瑯拥暮暧^石墨烯膜，也能有效地抑制 大腸桿菌的生長。由于氧化石墨烯的制備簡便、成本低廉，這種新型的碳納米材料有望在環(huán)境和臨床領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。中國科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無法生長，而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用 這一點(diǎn)石墨烯可以用來做繃帶，食品包裝甚至抗菌T恤。（11）、其它中國科學(xué)院金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料部的研究人員在石墨烯的研究方面取得的進(jìn)展主要包括以下三個(gè)方 面:可控制備出高質(zhì)量石墨烯；提出了表征石墨烯結(jié)構(gòu)的新方法；開展 了石墨烯的應(yīng)用探索。在石墨烯的應(yīng)用方面，該實(shí)驗(yàn)室有研究人員在 石墨烯宏量制備的基礎(chǔ)上，開展了石墨烯在場發(fā)射體、超級(jí)電容器、 鋰離子電池