石墨烯四大應(yīng)用領(lǐng)域全解讀

偉德的圖書館 2017-02-15

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石墨烯四大應(yīng)用領(lǐng)域全解讀

四大應(yīng)用

石墨烯(Graphene)又稱單層墨，是一種新型的二維納米材料，是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最高、韌性最強的納米材料。因其特殊納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，石墨烯在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲能和傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，被公認為21世紀的“未來材料”和“革命性材料”。石墨烯相關(guān)專利開始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(2010 年353 件，2012年達1829 件)?？傮w看來，石墨烯技術(shù)開始進入快速成長期，并迅速向技術(shù)成熟期跨越。全球石墨烯技術(shù)研發(fā)布局競爭日趨激烈，各國的技術(shù)優(yōu)勢正在逐步形成。

石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，當(dāng)時，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈;杰姆和克斯特亞;諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時不遠了。因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域

中科院近期發(fā)布的一份報告指出，石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展持續(xù)升溫，從石墨烯專利領(lǐng)域分布來看，其應(yīng)用技術(shù)研究布局熱點包括：石墨烯用作鋰離子電池電極材料、太陽能電池電極材料、薄膜晶體管制備、傳感器、半導(dǎo)體器件、復(fù)合材料制備、透明顯示觸摸屏、透明電極等。主要集中在如下四個領(lǐng)域：

(一) 傳感器領(lǐng)域。

石墨烯因其獨特的二維結(jié)構(gòu)在傳感器中有廣泛的應(yīng)用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性等特點，能提升傳感器的各項性能。主要用于氣體、生物小分子、酶和DNA 電化學(xué)傳感器的制作。新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)出了敏感度是普通傳感器1000 倍的石墨烯光傳感器;美國倫斯勒理工學(xué)院研制出性能遠超現(xiàn)有商用氣體傳感器的廉價石墨烯海綿傳感器。

(二) 儲能和新型顯示領(lǐng)域。

石墨烯具有極好的電導(dǎo)性和透光性，作為透明導(dǎo)電電極材料，在觸摸屏、液晶顯示、儲能電池等方面有很好的應(yīng)用。石墨烯被認為是觸摸屏制造中最有潛力替代氧化銦錫的材料，三星、索尼、輝銳、3M、東麗、東芝等龍頭企業(yè)均在此領(lǐng)域作了重點研發(fā)布局。美國德州大學(xué)奧斯汀分校研究人員利用KOH對石墨烯進行化學(xué)修飾重構(gòu)形成多孔結(jié)構(gòu)，得到的超級電容的儲能密度接近鉛酸電池。密歇根理工大學(xué)科學(xué)家研發(fā)出一種獨特蜂巢狀結(jié)構(gòu)的三維石墨烯電極，光電轉(zhuǎn)換效率達到7.8%，且價格低廉，有望取代鉑在太陽能電池中的應(yīng)用。東芝公司研發(fā)出石墨烯與銀納米線復(fù)合透明電極，并實現(xiàn)了大面積化。

(三) 半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。

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石墨烯被認為是替代硅的理想材料，大量有實力的企業(yè)均開展了石墨烯半導(dǎo)體器件的研發(fā)。韓國成均館大學(xué)開發(fā)出了高穩(wěn)定性n型石墨烯半導(dǎo)體，可以長時間暴露在空氣中使用。美國哥倫比亞大學(xué)研發(fā)出石墨烯-硅光電混合芯片，在光互連和低功率光子集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。IBM 的研究人員開發(fā)出了石墨烯場效應(yīng)晶體管，其截止頻率可達100GHz，頻率性能遠超相同柵極長度的最先進硅晶體管的截止頻率(40GHz)。

(四) 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

石墨烯及其衍生物在納米藥物運輸系統(tǒng)、生物檢測、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細菌分析、DNA 和蛋白質(zhì)檢測。如美國賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)的石墨烯納米孔設(shè)備可以快速完成DNA 測序。石墨烯量子點應(yīng)用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩(wěn)定、不會出現(xiàn)光漂白和不易光衰等特點。石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

研究成果

最小最快石墨烯晶體管

2011年4月7日IBM向媒體展示了其最快的石墨烯晶體

IBM展示最小最快石墨烯晶體管管，該產(chǎn)品每秒能執(zhí)行1550億個循環(huán)操作，比之前的試驗用晶體管快50%。

該晶體管的截止頻率為155GHz，使得其速度更快的同時，也比IBM去年2月展出的100GHz石墨烯晶體管具備了更多的能力。

IBM研究人員林育名表示，石墨烯晶體管成本較低，可以在標準半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，為石墨烯芯片的商業(yè)化生產(chǎn)提供了方向，從而用于無線通信、網(wǎng)絡(luò)、雷達和影像等多個領(lǐng)域。

全球最小光學(xué)調(diào)制器

可高速傳輸信號一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待

美國華裔科學(xué)家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器，科學(xué)家表示，這個只有頭發(fā)絲四百分之一細的光學(xué)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。這項研究是由加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯國家實驗室的張翔教授、王楓助理教授以及博士后劉明等組成的研究團隊共同完成的，研究論文于2011年6月2日在英國《自然》雜志上發(fā)表。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。

低成本石墨烯電池

或?qū)崿F(xiàn)“一分鐘充電”

美國俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用鋰離子可在

石墨烯鋰離子電池示意圖石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出一種新型儲能設(shè)備，可以將充電時間從過去的數(shù)小時之久縮短到不到一分鐘。該研究發(fā)表在近期出版的《納米快報》上。

石墨烯手機

2015年03月02日，全球首批3萬部石墨烯手機在渝發(fā)布，該款手機采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜，可接受官方預(yù)定，16G售價2499元。其核心技術(shù)由中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院和中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開發(fā)。

石墨烯指數(shù)

2015年5月18日，國家金融信息中心指數(shù)研究院在江蘇省常州市發(fā)布了全球首個石墨烯指數(shù)。指數(shù)評價結(jié)果顯示，全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實力排名前三位的國家分別是美國、日本和中國。

可呼吸二氧化碳電池

2015年5月，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院周震教授課題組發(fā)現(xiàn)一種可呼吸二氧化碳電池。這種電池以石墨烯用作鋰二氧化碳電池的空氣電極，以金屬鋰作負極，吸收空氣中的二氧化碳釋放能量。

特殊石墨烯材料

2015年6月，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授和物理學(xué)院田建國教授的聯(lián)合科研團隊通過3年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料。該材料可在包括太陽光在內(nèi)的各種光源照射下驅(qū)動飛行，其獲得的驅(qū)動力是傳統(tǒng)光壓的千倍以上。該研究成果令“光動”飛行成為可能。