石墨烯規(guī)模制造競(jìng)賽

陳榮

新的制備工藝，能讓石墨烯這個(gè)“救世主”一樣的納米材料迅速普及嗎？

2014年2月8日，一個(gè)由法國(guó)、美國(guó)、德國(guó)三國(guó)研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功實(shí)現(xiàn)在碳化硅晶體的邊緣帶狀凹槽上制備石墨烯納米帶，并且保證了常溫下的石墨烯超級(jí)導(dǎo)電特性。

新的制備方法，將適用于大批量規(guī)模生產(chǎn)，并能夠保證石墨烯納米帶的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這將使石墨烯在電子信息領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用成為可能。

新材料未來(lái)之星

1956年，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律，認(rèn)為集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。

這一定律揭示的趨勢(shì)持續(xù)了超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，然而，從2000年開始，以硅為基礎(chǔ)材料的晶體管加工工藝的升級(jí)速度已經(jīng)放緩，關(guān)于摩爾定律即將失效的猜測(cè)紛至沓來(lái)。

摩爾定律繼續(xù)生存的希望，在于尋找一個(gè)更革命性的基礎(chǔ)材料，讓晶體管繼續(xù)突破物理性能極限——比如石墨烯。

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在實(shí)驗(yàn)中成功獲得這種新型的納米材料，此后10年來(lái)，石墨烯的應(yīng)用空間，已被擴(kuò)展到幾乎無(wú)窮大的領(lǐng)域。

石墨烯和金剛石一樣，成分都是碳，只不過(guò)兩者的碳原子晶體結(jié)構(gòu)排列不同，金剛石像是石墨生成的微小顆粒，而石墨烯則是僅有一層碳原子厚度的薄膜。

神奇之處在于，石墨幾乎是礦物質(zhì)中最軟的材料，切成一個(gè)碳原子厚度的薄片后，卻變成了最堅(jiān)硬的材料，硬度比莫氏硬度10級(jí)的金剛石還高，但同時(shí)，石墨烯卻又具有極高的韌性，可以隨意彎曲。

這種兼具韌性和迄今為止最高強(qiáng)度的特性，使石墨烯迅速成為工業(yè)制造、航空、食品包裝等領(lǐng)域的納米材料未來(lái)之星。

一個(gè)例子是，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的一次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果物理學(xué)家們能制取出相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度（約100納米）的石墨烯，那么需要施加大約2萬(wàn)牛頓的壓力才能將其扯斷（1千克≈9.8牛頓）。

換句話說(shuō)，用石墨烯制成的包裝袋，一個(gè)就能裝大約兩噸重的物品。

這種輕薄而強(qiáng)韌的材料，同樣被證明可以應(yīng)用在微型醫(yī)療器械、防彈衣、汽車、飛機(jī)制造上，如果真的普及推廣開來(lái)，它將全面顛覆當(dāng)前的材料和工業(yè)制造世界。

更巨大的應(yīng)用空間，則來(lái)自石墨烯的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性。

石墨烯中，碳原子雜化形成了蜂巢晶格狀的二維納米材料，它的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，電子在其間的移動(dòng)速度可達(dá)光速的1/300，電阻率遠(yuǎn)低于銅和銀，是目前已知導(dǎo)電性能最好的材料。

這種最強(qiáng)導(dǎo)電性能，當(dāng)然不僅僅是可以用來(lái)制作電線那么簡(jiǎn)單，結(jié)合它輕薄和強(qiáng)韌的機(jī)械特性，在能源儲(chǔ)存、高頻電路、光子傳感器、觸控屏幕等領(lǐng)域，石墨烯的應(yīng)用前景無(wú)比廣泛。

比如，IBM曾于2010年研制出一個(gè)頻率100GHz的石墨烯晶體管，它如果換算成計(jì)算機(jī)處理器的頻率，是目前硅芯片的100～ 1000倍。

更為接近普通大眾的應(yīng)用，是石墨烯充當(dāng)電極的超級(jí)電池。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校工的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)研制成的微型石墨烯超級(jí)電容器，不僅外形小巧，而且充放電的速度比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電池快成百上千倍。

也就是說(shuō)，如果手機(jī)電池用上它，充滿一次電大概只需要5秒鐘，即使是特拉斯這種風(fēng)頭正勁的電動(dòng)車用上它，充一次電也不會(huì)超過(guò)5分鐘，完美解決了電動(dòng)車跑1小時(shí)后要停下來(lái)充6個(gè)小時(shí)電的尷尬。

產(chǎn)業(yè)瓶頸

但以上種種美妙的想象，都在目前石墨烯的制造工藝面前戛然而止。

從發(fā)現(xiàn)至今已逾10年，石墨烯替代硅的晶體管大規(guī)模制造工藝依舊沒(méi)能成型。

2010年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩位物理學(xué)家因獲取和應(yīng)用石墨烯的研究，獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但他們首次從石墨中剝離出石墨烯的方法毫無(wú)科技含量可言，除了必備的石墨塊，剩下的工具只是幾卷透明膠帶。

沒(méi)錯(cuò)，就是生活中再普通不過(guò)的膠帶。整個(gè)過(guò)程也有些陰差陽(yáng)錯(cuò)，蓋姆教授最初只是想得到盡可能薄的石墨薄膜，但他手下的一位中國(guó)博士生用傳統(tǒng)的拋光機(jī)打磨到極限，得到的石墨薄膜仍“厚”達(dá)10微米，足足相當(dāng)于1000層石墨烯的厚度。

無(wú)奈之下，蓋姆看到了手邊的透明膠帶，石墨具有完整的層狀特性，為什么不試試按層剝離？

于是，蓋姆用透明膠帶在石墨塊上粘了一下，這樣石墨層就黏在了膠帶上，再把膠帶對(duì)著黏一下拉開，石墨層就變薄了，繼續(xù)用膠帶反復(fù)黏，石墨層越來(lái)越薄，最終獲得了只有一層碳原子的石墨烯。

正是因?yàn)槟z帶作出的“巨大貢獻(xiàn)”，蓋姆和諾沃肖洛夫獲得的獎(jiǎng)項(xiàng)也被開玩笑為“膠帶成就的諾貝爾獎(jiǎng)”。不過(guò)這種“土”辦法雖然簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率卻實(shí)在低下，一個(gè)人花上一天時(shí)間，才能制出一小片石墨烯，遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)化和規(guī)?；男枰?。

事實(shí)上，自2004年首次剝離出石墨烯至今，在全球業(yè)界幾乎狂熱的追捧和研究下，已出現(xiàn)了各種各樣的石墨烯制備技術(shù)，比如化學(xué)氣相沉淀法、氧化還原法、溶液分離法、光照還原法、微波法、電化學(xué)法，等等。

這其中，化學(xué)氣相沉淀和氧化還原是兩種比較主流的技術(shù)方法。前者是在金屬表面生長(zhǎng)出單層率很高、面積很大的石墨烯薄膜材料，后者是將天然石墨通過(guò)氧化還原反應(yīng)形成石墨烯粉體。

但不管是化學(xué)氣相沉淀還是氧化還原法，需要的額外制備材料成本都不低，而且過(guò)程復(fù)雜，這導(dǎo)致石墨烯成品的成本一直居高不下，所制成的石墨烯還或多或少會(huì)存在一定的拓?fù)淙毕莼蛘呓Y(jié)構(gòu)缺陷，大大影響了石墨烯的導(dǎo)電特性。

當(dāng)然，這個(gè)問(wèn)題也被各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)視為機(jī)遇所在，正因?yàn)槿蚨紱](méi)有現(xiàn)成的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，大家都處于同一起跑線，那么誰(shuí)能率先掌握核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，就有可能率先搶占新型納米工業(yè)時(shí)代的入口。

在官方的宣傳中，2014年2月的新制備方法自稱已有望實(shí)現(xiàn)大批量規(guī)模生產(chǎn)，如果真的已解決工藝和成本問(wèn)題，它就將有望成為一個(gè)石墨烯全面產(chǎn)業(yè)化的破局點(diǎn)。