新方法讓石墨烯與硅基技術(shù)“聯(lián)姻”

　　石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的二維晶體，只有一層碳原子的厚度，是迄今最薄也最堅(jiān)硬的材料，其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能超強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅和其他傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料?？茖W(xué)家們認(rèn)為，石墨烯有望徹底變革材料科學(xué)領(lǐng)域，未來或能取代硅成為電子元件材料，廣泛應(yīng)用于超級計(jì)算機(jī)、柔性觸摸屏、環(huán)保和醫(yī)療設(shè)備、光子傳感器以及有機(jī)太陽能電池等諸多領(lǐng)域。

　　但石墨烯征服硅谷之路面臨的主要障礙是成功地將石墨烯整合到成熟的金屬—硅化物技術(shù)內(nèi)?，F(xiàn)在，來自維也納大學(xué)、德國和俄羅斯的研究人員成功地構(gòu)建出一種新奇且高質(zhì)量的處于一層石墨烯保護(hù)和覆蓋下的金屬硅化物結(jié)構(gòu)。

　　為了揭示這一新結(jié)構(gòu)的基本屬性，科學(xué)家們采用了基于愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)而研制的角分辨光電子能譜儀（ARPES）。當(dāng)一個(gè)光粒子同一種材料相互作用時(shí)，它能將所有能量傳遞給材料內(nèi)的一個(gè)電子。如果光粒子的能量足夠大，電子獲取的能量就足以讓它從物質(zhì)中逃逸。ARPES使科學(xué)家們能通過確定電子逃離物質(zhì)的角度，提取這種材料的電子屬性等相關(guān)信息。

　　該研究的合作者、奧地利維也納大學(xué)材料學(xué)研究所電子屬性研究中心的亞歷山大·格魯雷斯和尼克雷·沃比提斯基表示：“單原子厚度的石墨烯層以及由其制成的混合材料使我們能借用ARPES研究很多新奇的電子現(xiàn)象。”

　　借用ARPES，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這種石墨烯覆蓋的硅化物不會被氧化，所以，其可以用于很多電子材料和設(shè)備中。最重要的是，石墨烯層幾乎不同其覆蓋的硅化物發(fā)生反應(yīng)，這就讓其屬性得以保存完好。這種石墨烯-硅化物有望廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、自旋電子、光伏以及熱電設(shè)備中。

　　石墨烯產(chǎn)業(yè)有望形成萬億產(chǎn)值

　　石墨烯，2004年首次從石墨中分離得出，是目前世界上已知的最薄的材料，幾乎完全透明，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能。

　　為推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟日前在京成立。該聯(lián)盟由清華大學(xué)、中科院金屬研究所、北京現(xiàn)代華清材料科技發(fā)展中心等核心單位發(fā)起，聯(lián)合國內(nèi)從事石墨烯研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化的22家法人機(jī)構(gòu)。聯(lián)盟成員包括6所高校、4家中科院研究所、17家企業(yè)，基本囊括了國內(nèi)石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的主流單位。

　　或撬動(dòng)萬億市場

　　作為一種新型的納米材料，石墨烯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和電子性質(zhì)，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。它是目前人類已知強(qiáng)度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。

　　分析認(rèn)為，首先，石墨烯如果取代硅，有望讓計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度快數(shù)百倍。其次，石墨烯有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件。再其次，石墨烯可以推動(dòng)超級電容器發(fā)展，使得同等體積的電容擴(kuò)充5倍以上的容量。此外，石墨烯加入鋰電池電極中能夠大幅提高導(dǎo)電性能。石墨烯因其超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度，也有望被用于制造紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣和“太空電梯”的纜線，在這些領(lǐng)域?qū)⒁l(fā)革命性的突破。

　　作為一種技術(shù)含量極高的碳材料，石墨烯在半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、航天、軍工、LED、觸控屏等領(lǐng)域都將帶來一次材料革命。由于售價(jià)高昂，石墨烯目前尚未產(chǎn)業(yè)化。有分析認(rèn)為，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化其產(chǎn)值至少在萬億以上。

　　中國產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯

　　中國具有發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)得天獨(dú)厚的條件。數(shù)據(jù)顯示，我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%，生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，是我國少有的幾種具有國際競爭優(yōu)勢的礦產(chǎn)之一。

　　論壇上，各科研單位專家和企業(yè)代表認(rèn)為，石墨烯在我國的應(yīng)用前景十分廣闊，現(xiàn)在行業(yè)正處于從技術(shù)向商業(yè)演變的關(guān)鍵時(shí)期。但從實(shí)際情況來看，成本和工藝問題的存在使得石墨烯短期內(nèi)無法形成真正的商業(yè)規(guī)模，在應(yīng)用領(lǐng)域來看，鋰電池和環(huán)保涂層材料有望是國內(nèi)石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域未來的一大突破口。

　　石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝，目前業(yè)內(nèi)主要有四種制備方法，分別是機(jī)械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法（CVD）。前三種的原材料均為石墨，CVD法原材料則為甲烷居多。由于制造成本相對較低，目前業(yè)內(nèi)多采用機(jī)械剝離法和氧化石墨還原法制造石墨烯。

　　中科院寧波材料所石墨烯研究團(tuán)隊(duì)研究員周旭峰表示，目前國內(nèi)對石墨烯的應(yīng)用前景頗為看好，多個(gè)領(lǐng)域都準(zhǔn)備躍躍欲試。但從實(shí)際情況來看，制造工藝不穩(wěn)定和成本居高不下，仍是石墨烯走向產(chǎn)業(yè)化最需要解決的問題，從制造工藝來看，目前業(yè)內(nèi)的四種方法均有各自的優(yōu)勢和缺陷，產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑仍在探討之中。周旭峰認(rèn)為，由于產(chǎn)業(yè)鏈相對較短，環(huán)保和儲能領(lǐng)域有望成為率先實(shí)現(xiàn)石墨烯商用。

　　在相關(guān)政策扶持方面，工信部原材料司副司長高云虎表示，在編制新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的時(shí)候，石墨烯還沒有目前這樣熱門，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景也并不明朗，因此在規(guī)劃文本、產(chǎn)品目錄中沒有把石墨烯作為主要重點(diǎn)，但隨著技術(shù)和應(yīng)用的突破，下一步會統(tǒng)籌研究并予以考慮。