石墨烯產(chǎn)業(yè)前沿技術發(fā)展方向研究

葉琳

利用現(xiàn)有技術，對石墨烯及相關材料進行不同組合產(chǎn)生的新產(chǎn)品將刷新一系列固有認知。無論從材料技術、組件技術，還是從系統(tǒng)集成來看，這種技術的革命將推動著多功能產(chǎn)品應用。圍繞石墨烯相關技術和應用領域，本文從石墨烯產(chǎn)業(yè)前沿技術發(fā)展方向上進行了一系列探索性研究，從而探討了石墨烯產(chǎn)業(yè)作為21世紀具有顛覆性的技術具有廣闊發(fā)展前景。

1 基于石墨烯的顛覆性技術

與普通半導體和其他電子材料相比，石墨烯具有許多優(yōu)異特性，而這些性質的組合在其他任何材料中都不能被找到。對于石墨烯獨一無二的性質，新技術和大型研究的最終目的是將其應用于工業(yè)發(fā)展（圖1）。

石墨烯的這些屬性有機會讓一些應用變?yōu)楝F(xiàn)實，比如，在電子應用領域包括高頻設備、觸摸屏、靈活的可穿戴設備、超靈敏的傳感器、納米機電系統(tǒng)、超密度數(shù)據(jù)存儲及光子器件等，在能源領域包括電池和超級電容器來儲存和運輸電力，以及太陽能電池等。從長遠一些來看，石墨烯最具吸引力的潛力在于其傳導光和電的能力方面，如發(fā)光二極管（LED）、柔性觸摸屏、光電探測器，以及改進超快激光器的性能等。圖2展示了石墨烯在不同領域的應用情況。

2 國內外石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本情況

世界各國在機構、資金和整體架構等方面對石墨烯產(chǎn)業(yè)積極布局謀劃，發(fā)達國家在研究深度上已經(jīng)走在了前列，而且目前在涉及石墨烯的多個應用領域掌握了主導權。國外的跨國公司主動與研究石墨烯技術的相關科研機構、高校等進行合作，投入人力、物力、財力構建石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈，如規(guī)?；a(chǎn)石墨烯、石墨烯粉體、石墨烯薄膜等，積極研發(fā)商業(yè)化應用。

我國自2012年以來，相繼出臺了多項政策措施，成立了石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，發(fā)布了石墨烯相關標準，石墨烯涉及的部分技術擁有自主知識產(chǎn)權且處于國際領先水平。在空間布局上，石墨烯產(chǎn)業(yè)主要集中在長江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)、山東地區(qū)和京津冀區(qū)域，這些地區(qū)陸續(xù)形成了各具特色的石墨烯產(chǎn)業(yè)化基地和產(chǎn)業(yè)園區(qū)。2010—2017年，我國石墨烯企業(yè)快速增加和成長起來，從135家增加到1 093家。

3 石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿技術及方向分析

石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)正在穩(wěn)步推進，在性能的穩(wěn)定性和提升方面伴隨著一些挑戰(zhàn)，包括面向材料/能源的大規(guī)模生產(chǎn)應用和面向器件/ICT應用的晶圓級集成等，圖3所示為石墨烯的性能和應用領域。石墨烯的“質量”無法用絕對值表示出來，也不好定義屬性的優(yōu)劣，而是取決于具體產(chǎn)品中應用的情況。例如，高性能電子需要石墨烯的“質量”是無缺陷且平整的，電池或超級電容器則是應用了石墨烯材料有缺陷、空洞和孔洞的特質，對于石墨烯不同標準要求依據(jù)的是產(chǎn)品如何應用及其應用領域。

3.1 電子領域

石墨烯在電子領域的應用表現(xiàn)為電子設備上，主要集中在石墨烯打開帶隙、石墨烯微電子和納米電子、高頻電子學、電子發(fā)射、自旋電子學、傳感器、柔性電子等方向。

在集成電子系統(tǒng)中引入更多的功能將使應用領域（即通過分布式傳感器、執(zhí)行器和控制器進行家庭自動化）、環(huán)境控制和辦公自動化應用滿足社會對于安全、健康和舒適的要求。提高自動化水平也考慮到了人口老齡化和勞動力的老齡化問題，以及對相適應設備的需求。如，基于石墨烯的傳感器或計量設備可以進一步擴展混合電路的功能?；谑┑娜S設備集成可以在硅（Si）流中實現(xiàn)，并且可以作為具有擴展功能的低成本芯片的解決方案。

石墨烯具有許多記錄特性，它比塑料透明，但導熱性和導電性比任何金屬都好，是一種彈性薄膜，表現(xiàn)為不透水膜，且化學惰性和穩(wěn)定性都比較好，因此，石墨烯似乎是理想的下一代透明導體。在各種顯示器和觸摸屏的制造過程中，由于銦的脆性使得在柔韌性要求高的情況下難以使用，因此迫切需要找到一種銦錫氧化物（ITO）的替代品。石墨烯成為了這種應用的理想候選材料，加上與碳的豐富性結合，為ITO提供了可替代性材料，基于石墨烯的顯示器原型已經(jīng)生產(chǎn)出來，商業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)迫在眉睫。

2010年，首次報道了30英寸石墨烯透明導體的R2R（卷對卷）產(chǎn)品，具有低薄層電阻和90%透射率，可以與ITO等商業(yè)透明導電體競爭。石墨烯電極已被應用于能夠承受高應變的全功能觸摸屏中。因此，人們可以設想開發(fā)靈活、便攜和可重新配置的電子設備。隨著高速石墨烯電路的演示，開啟了新的思路，提供的高帶寬可能會影響未來的低成本智能手機和顯示屏。

目前用于集成電路的互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術正迅速接近晶體管小型化的極限，石墨烯被《國際半導體技術路線圖》認為是后硅電子學的候選材料。然而，一個滿足CMOS技術所有要求的石墨烯低功耗器件還沒有被證明。生產(chǎn)石墨烯電路所需的技術仍處于初級階段，在平坦的介質表面生長具有良好電性能的大面積薄膜還沒有得到證實，新型結構的開發(fā)不一定基于石墨烯帶。

2011年第一個晶圓級石墨烯電路（寬帶頻率混頻器），其中包括石墨烯場效應晶體管和電感器在內的所有組件集成在一個碳化硅（SiC）晶片上，該電路作為一個頻率高達10GHz的寬帶射頻混頻器運行，具有熱穩(wěn)定性，在溫度300～400K范圍內性能幾乎沒有降低，這表明具有復雜功能的石墨烯器件可以被實現(xiàn)。

石墨烯只有一個原子厚，似乎是最終實現(xiàn)新一代柔性電子器件的合適候選材料。基于石墨烯來開發(fā)薄且靈活的電子元件，并將其模塊化集成，可以組裝和分配給薄的便攜式設備。石墨烯可以承受機械變形，折疊時不會斷裂，通過所謂的“應變工程”，這種特性提供了方法可以調整電子性能，這種可折疊設備將能實現(xiàn)集成和分布的創(chuàng)新概念。

通過實現(xiàn)柔性電子學，石墨烯將允許使用有機電子（用于顯示器、導電聚合物、塑料、可印刷電子的有機發(fā)光二極管）去組織現(xiàn)有知識庫和基礎設施，為收集和支持許多分布式技術能力提供協(xié)同框架。

3.2 能源領域

石墨烯在能源領域的應用表現(xiàn)為能源存儲和轉換上。能源可以根據(jù)各種預期用途采用不同方式存儲，每種方法都有其優(yōu)缺點，基于發(fā)展可持續(xù)能源和可再生能源的需求，使研究集中于太陽能、風能等方面。此外，便攜式能源也成發(fā)展趨勢，不僅用于便攜式設備，而且還用于運輸，以減少對化石燃料的依賴。為了應對類似的挑戰(zhàn)，石墨烯在能源領域的研究主要集中在電池、超級電容器、燃料電池和儲氫、石墨烯太陽能電池、熱電器件、納米發(fā)電機等方向。

石墨烯為當前與能源生產(chǎn)和存儲相關的挑戰(zhàn)帶來了新的解決方案，首先是納米增強型產(chǎn)品，然后是納米新型產(chǎn)品?；谑┑哪茉瓷a(chǎn)系統(tǒng)（光伏、燃料電池）、能源存儲（超級電容器、電池和氫存儲）可以通過相關的概念演示來進行，朝著工業(yè)應用的目標研究開發(fā)。此外，石墨烯技術可能提供新的電力管理解決方案，這是實現(xiàn)能源高效安全使用的關鍵。

3.3 材料領域

石墨烯在材料領域的應用表現(xiàn)為復合材料上。石墨烯作為填充來增強復合材料的性能是石墨烯在材料應用中的重要研究方向，主要集中在聚合物基復合材料、陶瓷基復合材料、基于化學改性石墨烯的二維有機/無機納米復合材料、光子聚合物復合材料等方向。

石墨烯是工程新材料的理想候選材料，石墨烯的“全表面”特性提供了通過表面處理調整其性能的機會，例如，石墨烯已經(jīng)轉化為帶隙半導體（氫化石墨烯或“石墨烯烷”）或絕緣體（氟化石墨烯或“熒光石墨烯”）。此外，石墨烯薄片可以分散放置，他們保留了許多優(yōu)異性能，可用于實現(xiàn)復合材料（如嵌入聚合物基體）的性能改進。石墨烯不僅因為自身的性質而重要，而是因為它是一種新型材料的典范，隨著石墨烯技術的崛起，這類材料將不斷發(fā)展壯大，如六方氮化硼和輝鉬礦單層等。

4 結語

從實驗室中隨機產(chǎn)生的微米級薄片到大規(guī)模卷式生產(chǎn)，石墨烯實現(xiàn)了快速發(fā)展。在未來，各國政府及企業(yè)將會針對石墨烯技術應用持續(xù)進行深入和廣泛的研究，解決一些技術障礙和問題，進一步促進石墨烯產(chǎn)業(yè)上中下游的全鏈發(fā)展。目前，雖然石墨烯具有的內在新穎性和技術成熟度都還欠缺，但是把石墨烯和相關材料從實驗室?guī)肷鐣?，將為與石墨烯相關的諸多產(chǎn)業(yè)帶來新一輪革命，既可以促進社會經(jīng)濟增長，也將創(chuàng)造更多技術革新與突破。

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