葉琳

利用現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)石墨烯及相關(guān)材料進(jìn)行不同組合產(chǎn)生的新產(chǎn)品將刷新一系列固有認(rèn)知。無(wú)論從材料技術(shù)、組件技術(shù)，還是從系統(tǒng)集成來(lái)看，這種技術(shù)的革命將推動(dòng)著多功能產(chǎn)品應(yīng)用。圍繞石墨烯相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域，本文從石墨烯產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)發(fā)展方向上進(jìn)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(jì)具有顛覆性的技術(shù)具有廣闊發(fā)展前景。

1 基于石墨烯的顛覆性技術(shù)

與普通半導(dǎo)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(zhì)的組合在其他任何材料中都不能被找到。對(duì)于石墨烯獨(dú)一無(wú)二的性質(zhì)，新技術(shù)和大型研究的最終目的是將其應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展（圖1）。

石墨烯的這些屬性有機(jī)會(huì)讓一些應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，比如，在電子應(yīng)用領(lǐng)域包括高頻設(shè)備、觸摸屏、靈活的可穿戴設(shè)備、超靈敏的傳感器、納米機(jī)電系統(tǒng)、超密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及光子器件等，在能源領(lǐng)域包括電池和超級(jí)電容器來(lái)儲(chǔ)存和運(yùn)輸電力，以及太陽(yáng)能電池等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)一些來(lái)看，石墨烯最具吸引力的潛力在于其傳導(dǎo)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(cè)器，以及改進(jìn)超快激光器的性能等。圖2展示了石墨烯在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

2 國(guó)內(nèi)外石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本情況

世界各國(guó)在機(jī)構(gòu)、資金和整體架構(gòu)等方面對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)積極布局謀劃，發(fā)達(dá)國(guó)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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域掌握了主導(dǎo)權(quán)。國(guó)外的跨國(guó)公司主動(dòng)與研究石墨烯技術(shù)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)、高校等進(jìn)行合作，投入人力、物力、財(cái)力構(gòu)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(yīng)用。

我國(guó)自2012年以來(lái)，相繼出臺(tái)了多項(xiàng)政策措施，成立了石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，發(fā)布了石墨烯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，石墨烯涉及的部分技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且處于國(guó)際領(lǐng)先水平。在空間布局上，石墨烯產(chǎn)業(yè)主要集中在長(zhǎng)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(guó)石墨烯企業(yè)快速增加和成長(zhǎng)起來(lái)，從135家增加到1 093家。

3 石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)及方向分析

石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)正在穩(wěn)步推進(jìn)，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(yīng)用和面向器件/ICT應(yīng)用的晶圓級(jí)集成等，圖3所示為石墨烯的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。石墨烯的“質(zhì)量”無(wú)法用絕對(duì)值表示出來(lái)，也不好定義屬性的優(yōu)劣，而是取決于具體產(chǎn)品中應(yīng)用的情況。例如，高性能電子需要石墨烯的“質(zhì)量”是無(wú)缺陷且平整的，電池或超級(jí)電容器則是應(yīng)用了石墨烯材料有缺陷、空洞和孔洞的特質(zhì)，對(duì)于石墨烯不同標(biāo)準(zhǔn)要求依據(jù)的是產(chǎn)品如何應(yīng)用及其應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 電子領(lǐng)域

石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)為電子設(shè)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(xué)、電子發(fā)射、自旋電子學(xué)、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(yīng)用領(lǐng)域（即通過(guò)分布式傳感器、執(zhí)行器和控制器進(jìn)行家庭自動(dòng)化）、環(huán)境控制和辦公自動(dòng)化應(yīng)用滿足社會(huì)對(duì)于安全、健康和舒適的要求。提高自動(dòng)化水平也考慮到了人口老齡化和勞動(dòng)力的老齡化問(wèn)題，以及對(duì)相適應(yīng)設(shè)備的需求。如，基于石墨烯的傳感器或計(jì)量設(shè)備可以進(jìn)一步擴(kuò)展混合電路的功能。基于石墨烯的三維設(shè)備集成可以在硅（Si）流中實(shí)現(xiàn)，并且可以作為具有擴(kuò)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(dǎo)熱性和導(dǎo)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(xué)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(dǎo)體。在各種顯示器和觸摸屏的制造過(guò)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(yīng)用的理想候選材料，加上與碳的豐富性結(jié)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(lái)，商業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)迫在眉睫。

2010年，首次報(bào)道了30英寸石墨烯透明導(dǎo)體的R2R（卷對(duì)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(dǎo)電體競(jìng)爭(zhēng)。石墨烯電極已被應(yīng)用于能夠承受高應(yīng)變的全功能觸摸屏中。因此，人們可以設(shè)想開發(fā)靈活、便攜和可重新配置的電子設(shè)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(huì)影響未來(lái)的低成本智能手機(jī)和顯示屏。

目前用于集成電路的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)正迅速接近晶體管小型化的極限，石墨烯被《國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖》認(rèn)為是后硅電子學(xué)的候選材料。然而，一個(gè)滿足CMOS技術(shù)所有要求的石墨烯低功耗器件還沒(méi)有被證明。生產(chǎn)石墨烯電路所需的技術(shù)仍處于初級(jí)階段，在平坦的介質(zhì)表面生長(zhǎng)具有良好電性能的大面積薄膜還沒(méi)有得到證實(shí)，新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)不一定基于石墨烯帶。

2011年第一個(gè)晶圓級(jí)石墨烯電路（寬帶頻率混頻器），其中包括石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管和電感器在內(nèi)的所有組件集成在一個(gè)碳化硅（SiC）晶片上，該電路作為一個(gè)頻率高達(dá)10GHz的寬帶射頻混頻器運(yùn)行，具有熱穩(wěn)定性，在溫度300～400K范圍內(nèi)性能幾乎沒(méi)有降低，這表明具有復(fù)雜功能的石墨烯器件可以被實(shí)現(xiàn)。

石墨烯只有一個(gè)原子厚，似乎是最終實(shí)現(xiàn)新一代柔性電子器件的合適候選材料。基于石墨烯來(lái)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(shè)備。石墨烯可以承受機(jī)械變形，折疊時(shí)不會(huì)斷裂，通過(guò)所謂的“應(yīng)變工程”，這種特性提供了方法可以調(diào)整電子性能，這種可折疊設(shè)備將能實(shí)現(xiàn)集成和分布的創(chuàng)新概念。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)柔性電子學(xué)，石墨烯將允許使用有機(jī)電子（用于顯示器、導(dǎo)電聚合物、塑料、可印刷電子的有機(jī)發(fā)光二極管）去組織現(xiàn)有知識(shí)庫(kù)和基礎(chǔ)設(shè)施，為收集和支持許多分布式技術(shù)能力提供協(xié)同框架。

3.2 能源領(lǐng)域

石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)為能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換上。能源可以根據(jù)各種預(yù)期用途采用不同方式存儲(chǔ)，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，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(yáng)能、風(fēng)能等方面。此外，便攜式能源也成發(fā)展趨勢(shì)，不僅用于便攜式設(shè)備，而且還用于運(yùn)輸，以減少對(duì)化石燃料的依賴。為了應(yīng)對(duì)類似的挑戰(zhàn)，石墨烯在能源領(lǐng)域的研究主要集中在電池、超級(jí)電容器、燃料電池和儲(chǔ)氫、石墨烯太陽(yáng)能電池、熱電器件、納米發(fā)電機(jī)等方向。

石墨烯為當(dāng)前與能源生產(chǎn)和存儲(chǔ)相關(guān)的挑戰(zhàn)帶來(lái)了新的解決方案，首先是納米增強(qiáng)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(chǔ)（超級(jí)電容器、電池和氫存儲(chǔ)）可以通過(guò)相關(guān)的概念演示來(lái)進(jìn)行，朝著工業(yè)應(yīng)用的目標(biāo)研究開發(fā)。此外，石墨烯技術(shù)可能提供新的電力管理解決方案，這是實(shí)現(xiàn)能源高效安全使用的關(guān)鍵。

3.3 材料領(lǐng)域

石墨烯在材料領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)為復(fù)合材料上。石墨烯作為填充來(lái)增強(qiáng)復(fù)合材料的性能是石墨烯在材料應(yīng)用中的重要研究方向，主要集中在聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、基于化學(xué)改性石墨烯的二維有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料、光子聚合物復(fù)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(guò)表面處理調(diào)整其性能的機(jī)會(huì)，例如，石墨烯已經(jīng)轉(zhuǎn)化為帶隙半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)復(fù)合材料（如嵌入聚合物基體）的性能改進(jìn)。石墨烯不僅因?yàn)樽陨淼男再|(zhì)而重要，而是因?yàn)樗且环N新型材料的典范，隨著石墨烯技術(shù)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(jié)語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)室中隨機(jī)產(chǎn)生的微米級(jí)薄片到大規(guī)模卷式生產(chǎn)，石墨烯實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。在未來(lái)，各國(guó)政府及企業(yè)將會(huì)針對(duì)石墨烯技術(shù)應(yīng)用持續(xù)進(jìn)行深入和廣泛的研究，解決一些技術(shù)障礙和問(wèn)題，進(jìn)一步促進(jìn)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(nèi)在新穎性和技術(shù)成熟度都還欠缺，但是把石墨烯和相關(guān)材料從實(shí)驗(yàn)室?guī)肷鐣?huì)，將為與石墨烯相關(guān)的諸多產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新一輪革命，既可以促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也將創(chuàng)造更多技術(shù)革新與突破。

參考文獻(xiàn)

[1] WANG Yanjie，LI Libo，Wei Yanying，et al.Water Transport with Ultralow Friction through Partially Exfoliated g‐C3N4 Nanosheet Membranes with Self‐Supporting Spacers[J].Angewandte Chemie，2017，56（31）：8974—8980.

[2] ABRAHAM J，VASU K S，WILLIAMS C D，et al.Tunable sieving of ions using graphene oxide membranes[J].Nat. Nanotechnol，2017，（12）：546—550.

[3] ZHANG Mengchen，KECHENG Guan，JIE Shen，et al.Nanoparticles@rGO membrane enabling highly enhanced water permeability and structural stability with preserved selectivity[J].AIChE Journal，2017，63（11）：5054—5063.

[4] 新產(chǎn)業(yè).2017年全球科學(xué)家在石墨烯領(lǐng)域的進(jìn)展情況[EB/OL].[2017—10—20].http：//www.sohu.com/ a/199217555_99918116.

[5] 北極星儲(chǔ)能網(wǎng).全球及中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[EB/OL].[2016—8—29].http：//www.qianjia.com/html/2016-08/29_263054.html.

[6] 廖婷婷，丁義超，鮮勇.石墨烯及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].炭素，2017（4）：10—13.

[7] 金殿臣，李媛.中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策研究[J].湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，15（3）：67—73.

[8] 王忠強(qiáng)，蕭小月.中外石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展管窺[J].電子元件與材料，2017，36（9）：94—97.

[9] 王本力.石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析[J].中國(guó)工業(yè)評(píng)論，2016（4）：72—80.

[10] 付民.石墨烯基復(fù)合材料的制備及性能研究[D].北京：北京理工大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，2016.