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“后硅時代”的新潛力材料
發(fā)布日期：2013-09-03 預(yù)覽次數(shù)：
石墨烯是一種由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維晶體，看上去近似一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。它是目前已知最薄的一種材料，單層的石墨烯只有一個碳原子的厚度，屬于納米材料的一種。
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）成功地在實(shí)驗(yàn)室從石墨薄片中剝離出了石墨烯，兩人因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。人們發(fā)現(xiàn)，它的厚度只有0.34納米，一片1毫米厚的石墨片由近300萬層石墨烯堆垛而成。
石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮，特別是它的獨(dú)特性能，許多專家稱之為“改變21世紀(jì)的材料”，并預(yù)測“21世紀(jì)將是碳（C）的世紀(jì)”。
石墨烯具有超強(qiáng)的導(dǎo)電性，遷移率是硅的100倍。據(jù)專家介紹，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射，受到的干擾也非常小。因此電子的運(yùn)動速度超過了在其他金屬單體或半導(dǎo)體中的運(yùn)動速度，能夠達(dá)到光速的1/300。
石墨烯的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管，是銅鋁等金屬的數(shù)十倍，這使得石墨烯有望作為未來超大規(guī)模納米集成電路的散熱材料。石墨烯還具有比金剛石還堅硬、是鋼鐵100倍的機(jī)械強(qiáng)度，以及可拉伸折疊的柔韌性和優(yōu)異的透光性，透光率達(dá)到97.4%。
此外，石墨烯具有極高的比表面積，理想的單層石墨烯比表面積能夠達(dá)到2630平方米每克，而普通的活性炭的比表面積為1500平方米每克，這使得石墨烯可成為潛力巨大的儲能材料。
應(yīng)用前景廣闊
剛誕生不久的石墨烯是一種技術(shù)含量非常高、應(yīng)用潛力非常廣泛的碳材料，在觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、半導(dǎo)體、航天、軍工、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，一旦量產(chǎn)將成為下一個萬億級的新興產(chǎn)業(yè)。
“目前從全世界范圍來看，石墨烯都屬于前沿研究，材料的研發(fā)仍處于初級階段，離大規(guī)模應(yīng)用尚存在一段距離，但這并不意味著遙遙無期。”南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授王欣然說，最先進(jìn)入市場的應(yīng)該是手機(jī)、平板電腦等終端上的石墨烯觸摸屏，預(yù)計2年后就可以上市。而由石墨烯做的光電探測器、太陽能電池等光電器件也將于2015年逐步進(jìn)入市場。但是，要求更高、工藝更為苛刻的高頻電路、邏輯電路則在更遠(yuǎn)的將來才能走向市場。
中國科學(xué)院院士高鴻鈞也表示，石墨烯在未來電子器件上具有誘人的應(yīng)用前景，被看作是石墨烯研究最可能突破、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域，成為國際上的研究熱點(diǎn)和競爭焦點(diǎn)。
據(jù)媒體報道，日前，中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院已經(jīng)成功制備出國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，其尺寸達(dá)到了國內(nèi)最高水平。中科院重慶研究院目前已經(jīng)在銅箔襯底上生長出15英寸的均勻單層石墨烯，并成功將其完整地轉(zhuǎn)移到柔性PET襯底上和其他基底表面。通過進(jìn)一步加工，還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏。將石墨烯觸摸屏貼在一臺普通筆記本電腦的顯示屏上，用手寫筆可在屏幕上寫字。
在儲能領(lǐng)域，石墨烯有望在鋰離子電池和超級電容器發(fā)展上大顯身手。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能和柔韌的二維層狀結(jié)構(gòu)，可以提高鋰離子電池和超級電容器的充放電速度、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性，有可能達(dá)到幾分鐘甚至幾秒鐘充滿電，這樣的石墨烯鋰電池在消費(fèi)電子、電動汽車和儲能領(lǐng)域具有很大市場。
此外，用石墨烯制成的散熱薄膜可應(yīng)用到智能手機(jī)、平板電腦、LED照明、LCD電視等超薄大功耗電子產(chǎn)品。功能化的石墨烯材料在生物醫(yī)藥、生物診斷和食品加工等領(lǐng)域也有極高的應(yīng)用價值。