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材料、超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的 2.3萬英里長太空電梯成為 現(xiàn)實。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)點有很多，比如超高強度、高透光性以及超強導(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、 存儲器和其他器 件的原型樣品當中。國際商業(yè)機器公司(IBM )己研制出運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,計劃將其應(yīng)用于高頻RF元件。Rice大學研究人員正在著手研究一類存儲單元密度至少為閃存 兩倍的石墨烯片狀存儲器。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大學研究人員首次將石墨烯用于架構(gòu)更簡單的雙端存儲

3、器件科學家發(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，由于工程師們正在設(shè)法將越來越多的信 息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作 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)未來的超級計算機。(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。現(xiàn)在，這個角色還在由硅擔當，但

4、硅的時代似乎 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；進一步減小器件開關(guān)時間，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電路。據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)2010年6月10日 報道，美國科研人員利 用石墨烯制造納米電路領(lǐng)域取得突破性進展。設(shè)計出了簡便、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)。美國曼徹斯特大學的研究人員用石墨烯制成了分子級電子電路。石墨烯可以被刻成擁有單個晶體管的電子電路 ，其尺寸不比

6、分子大多 少，晶體管尺寸越小，其功能越強。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 量單個生物細胞的電子信號。(5) 、優(yōu)良的太陽能電池因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其他材料具有更優(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，并用它制作出有機太陽電池。(6) 、單分子傳感器美國倫斯勒理工學院的研究者最近發(fā)表的三項新研究成果表明 石墨烯應(yīng)該用于制造風力渦輪機和飛機機翼的增強復(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,美國萊斯大學利用該石墨烯量子點，制作單分子傳感器。 萊斯大學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)可用來制作化學傳感器、 太陽能電池、醫(yī)療成像裝置或是納 米級電路等。(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 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，會比較容易穿過更大 波長范圍的光。相當于單個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 時會混入很多雜質(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)電腥試制機構(gòu)|尺寸薄片電陰光透射率制作的器件ii成均館大學及二星 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富士電機控腕17層1cm37oon/j90%無設(shè)想為太陽能電池）埼玉大學上野研還原后的氧化五墨烯0,105cm185%有機薄膜木陽能電池非毎比石禺屛粉未未公幵5kQ/未公幵有機酶，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 的絕緣點陣阻隔而互不接觸。當外界壓力存在的時候，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也不一樣， 通過對電 信號的分析，就可以確定是觸摸屏上的哪個位置發(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，在中國科學院院長特別基金和國家自然基金項目的 支持下，國家納米科學中心石墨烯納米生物傳感器研究取得突破。國 家納米科學中心和美國哈佛大學合作首次成功制備了石墨烯與動物 心肌細胞的人造突觸，建

13、立了一維、二維納米材料與細胞相結(jié)合的獨 特研究體系，為生物電子學的研究帶來了新的機遇。(9) 、高速光學調(diào)制器美國華裔科學家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器， 科學家表示，這個只有頭發(fā)絲四百分之一細的光學調(diào)制器具備的高速 信號傳輸能力，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。這項研究的突破點就在于，用石墨烯這種世界上最 薄卻最堅硬的納米材料，做成一個高速、對熱不敏感，寬帶、廉價和 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，美國化學會ACS納米雜志報道了中國科學 院上海應(yīng)用物理研究所物理生物學實驗室在新型

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實驗室的博士研究生 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，對其抑制率超過90%進一步的實驗結(jié)果表明氧化石墨烯的抗菌性源于其對大腸 桿菌細胞膜的破壞。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,而且對哺乳動物細胞產(chǎn)生的細胞毒性很小。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)細菌的細胞在石墨烯上無法生長，而人類細胞卻不會受損。利用 這一點石墨烯可以用來做繃帶，食品包裝甚至抗菌T恤。（11）、其它中國科學院金屬所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室先進炭材料部的研究人員在石墨烯的研究方面取得的進展主要包括以下三個方 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，該實驗室有研究人員在 石墨烯宏量制備的基礎(chǔ)上，開展了石墨烯在場發(fā)射體、超級電容器、 鋰離子電池