我国石墨烯产业发展概况及展望

②超高强度 ：石墨烯的硬度高于 量 产。外 延 生 长 法 是 以 单 晶 碳 化 硅
金刚石，是目前为止人类已知的硬度 （S i C）为 原 料，在 超 高 温 和 超 高 真
最高的物质。由于高的硬度，石墨烯拥 空 的 条 件 下 蒸 发 除 去 硅 原 子，剩 下
有很高的强度，其强度比世界上最好 的碳原子在原来的碳化硅单晶面上
一、石墨烯结构及特性
在微观结构上，石墨烯是一种由 碳原子以s p2杂化轨道组成的六角形
12 Advanced Materials Industry
图 1 石墨烯
FOCUS 关 注
呈蜂巢晶格的平面薄膜结构，而在原
④超大比表面积 ：由于单层石墨
子尺度上其结构十分特殊，只能用相 烯只有一个碳原子厚（0.335n m），所
钓鱼竿/高尔夫球棒 /球拍
石墨烯的专用用途
汽车/飞机的结 构造体等
吸氢材料
也在研究或开发CNT用途
1km 100km 1万km 元件/构造体的尺寸
宇宙电梯
望推动多个领域实现革命性的变革， 这些目标一旦实现将成为下一个万亿 级的产业。
注 ：石墨烯的用途分特殊尺寸用途、电子器件用途和构造体用途，部分用途与碳纳米管（CNT）重叠 图 2 石墨烯的应用领域
金源极 金漏极 二氧化硅绝缘体
石墨烯场效应晶体管
能的提升。石墨烯具有极高的电子迁 移 速 度，并 且 发 热 量 较 小，这 种 特 性
图 3 石墨烯晶体管结构示意图
非常适合在高频电路中应用，在微电 子领域也具有巨大的应用潜力。使用 石墨烯作为基质生产出的处理器能 够达到 1T H（z 即 1 000G H z），石墨烯 晶体管结构示意见图 3。美国I B M与 韩国三星尖端技术研究所（S A I T）均 在 2010年 12月举行的半导体制造技 术相关国际会议上发布了通道层使 用石墨烯的高速动作型R F电路用电 场效应晶体管（F E T）。I B M的石墨烯 F E T的最大截止频率高达 240G H z。 另外，加州大学洛杉矶分校也已发布 了截止频率 300G H z的石墨烯F E T。 300G H z的截止频率已经可以和砷化 镓（G a A s）和磷化铟（I n P）等化合物
超级电容器又称电化学电容器或 双电层电容器（E D L C），是一种靠极 化电解液来存储电能的新型电化学装 置。由于它有较高的功率密度、近乎无 限的循环次数，因此在各类需要能源 转化的领域，包括新能源汽车、电力、 通信、军工、消费类电子产品等众多领 域都有着巨大的市场应用价值。目前， 研究和应用最广泛的超级电容器电 极材料主要是碳质材料，包括活性炭 （A C）、活性碳纤维（A C F）、碳纳米管 等，其中最为成熟的是活性炭。
关 注 FOCUS
我国石墨烯产业 发展概况及展望
■ 中国石墨烯产业技术创新联盟
石墨烯是一种由碳原子紧密堆 积构成的二维晶体，也就是只有一个 碳原子厚度的单层石墨薄片（图 1）。 由于其特殊的结构，它成为到目前为 止 人 类 已 知 的 强 度 最 高、韧 性 最 好、 质 量 最 轻、透 光 率 最 高、导 电 性 最 佳 的 材 料。也 正 因 为 如 此，各 国 科 技 界 和产业界均不遗余力地推动石墨烯 在电子信息、新能源、照明、生物医用 等各个领域的实际应用。
由于石墨烯理论上具有极高的比
表面积，在结构上每个单层石墨烯晶体 都是独立存在的，因此石墨烯片层的两 侧均可以富集电荷形成双电层。另外， 石墨烯片层所特有的褶皱以及叠加效 果，可以形成的纳米孔道和纳米空穴， 有利于电解液的扩散，因此石墨烯基的 超级电容器具有良好的功率特性，石墨 烯基超级电容器示意图如图 4所示。 4. 石墨烯显示器件
由于氧化铟锡材料（I T O）同时具 有优异的导电和透光性能，因此目前 显示器件中使用的导体材料基本上都 是ITO材料，但ITO具有价格高、易碎、 有毒等缺点，所以其替代材料的研究 始终没有停止。石墨烯作为一种具有 非常高的导电性，又几乎完全透明的 材料，十分适合作为透明导体材料用 于制作显示器件。另外，石墨烯还具有 韧性非常好的特点，能够拉伸 20%而 不断裂，还能够制作可折叠、伸缩的柔 性显示器件。因此，虽然目前制作大面 积石墨烯时，由于会混入很多杂质及 缺陷，使得大多数制品的导电性及透 明性都尚未达到I T O的水平，但是石 墨烯仍有望用于触摸面板领域。
设备时代的有力备选。 2. 石墨烯锂离子电池
锂离子电池是目前在消费电子领 域应用最广泛的一种二次电池，具有 能量密度大、循环寿命长等优点，但是 一来功率密度还不够大，二来电池满 充所需要的时间较长，一般至少需要 几个小时，这些都制约了锂离子电池 在纯电动车领域的应用。
通过引入石墨烯技术，可以使锂 离子电池同时满足电动汽车领域对能 量密度和功率密度的要求，因此锂离 子电池电极可能是石墨烯首先获得应 用的领域。其中一个方向是石墨烯复 合电极材料。石墨烯优异的导电性能
完美的“二维”平面晶格结构，因此电 能领域的应用潜力巨大。
子在晶格中移动时，不会因为晶格缺
陷或引入外来原子而发生散射。另外， 二、石墨烯的制造方法及对比
由于石墨烯中碳原子之间作用力很
目前在工业上和实验室中制备石
强，使得运动中的电子受到的干扰极 墨烯的方法主要有 4种，分别是 ：微机
小，即使在周围碳原子发生碰撞时也 械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原
对论量子力学才能描绘。由于结构上 以石墨烯拥有超大的比表面积。在理
的特殊性，使得石墨烯拥有了其它材 料所不具备的特殊性能，主要体现在 以下几个方面 ：
想情况下，单层石墨烯的比表面积能 够达到 2 630m2/ g，而目前普通的活 性炭的比表面积为 1 500m2/ g，石墨
①超强导电性 ：由于石墨烯拥有 烯这种比表面积超大的特性使它在储
1. 石墨烯电子器件
由于硅材料在电子信息领域的
应用即将进入一个瓶颈期，研究人员
不断需求新的、能够进一步减小集成
电 路 尺 寸、速 度 更 快、价 格 更 便 宜 的 替代材料。石墨烯在众多的备选材料
双层石墨烯
铂栅电极
硅衬底
中 最 引 人 瞩 目。很 多 电 子 设 备，比 如
手机，为了获得更大的信息量，使用频 率变得越来越高，但是手机的发热量 将随着工作频率的提高而变得越来 越大，这极大地影响了高频下手机性
的钢铁还要高上 100倍。而同时它又 通过结构重排形成单层或多层石墨
拥有很好的韧性，且可以弯曲。
烯 。这 种 方 法 可 以 得 到 尺 寸 较 大 、质
③导热性能 ：石墨烯的导热性能优 量 较 高 的 单 晶 石 墨 烯，但 工 艺 条 件
于碳纳米管。普通碳纳米管的导热系数可 苛刻，成本非常高。氧化石墨还原法
半导体晶体管相匹敌。 石墨烯可替代晶体硅应用在芯
片 领 域。根 据 台 湾 产 业 技 术 研 究 院 （I E K）的 预 测，如 果 石 墨 烯 能 替 代
10%的晶体硅来制造高端集成电路， 便至少有望获得在 5 000亿元以上的 市场容量。英国曼彻斯特大学的科研 人员已经设计出一种新型石墨烯晶体 管，电子在其中可借助隧穿和热离子 效应，同时从上方和下方穿越障碍，并 在室温下展现出高达 1×106的开关比 率。由于仅具有几个原子层的厚度，新 型晶体管能够耐受弯曲，未来更有望 应用于柔性、透明电子设备的制造，成 为后互补金属氧化物半导体（CMOS）
新材料产业 NO.9 2013 13
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三、石墨烯的应用及市场潜力
石墨烯作为一种在多个方面性能 都极为优异的碳材料，必然会在诸多 领域具有巨大的应用潜力，对半导体 行业、光伏领域、储能领域、航天、新一 代显示器等领域都可能带来革命性的 影响，石墨烯应用领域见图 2。尽管石 墨烯目前尚未产业化，售价还很高，但 是凭借其特殊的物理结构和特质，有
综 上 所 述 ，到 目 前 为 止 ，还 没 有 形成一种成熟的方法大规模地生产 质量较高的工业级石墨烯。表 1列出 了上述 4种制备方法的对比，其中， 氧化石墨还原法因为工艺较为简 单，成 本 较 低，相 对 更 加 容 易 量 产， 是目前生产石墨烯粉体材料的主流 制 备 工 艺。但 该 方 法 在 制 备 过 程 中 容 易 破 坏 石 墨 烯 的 分 子 结 构，影 响 石 墨 烯 的 性 能，而 且 得 到 的 石 墨 烯 粉体由于比表面积太大不易分散， 团 聚 比 较 严 重，因 此 采 用 该 方 法 制 备的最终产品的实际性能与理论值 有 很 大 差 距。气 相 沉 积 法 是 石 墨 烯 另 一 个 相 对 较 成 熟 的 制 备 方 法，主 要 用 于 制 备 石 墨 烯 薄 膜。这 种 方 法 依 然 有 很 多 技 术 问 题 需 要 解 决，如 石 墨 烯 的 某 些 特 殊 属 性（量 子 霍 尔 效应等），在气相沉积法制备的石墨 烯 中 观 察 不 到，说 明 气 相 沉 积 法 的 制备过程对石墨烯的结构完整性会 有 影 响。目 前 气 相 沉 积 法 制 备 的 石 墨烯片尺寸只有平方厘米的量级， 不能满足工业化应用的需求。
目前，全球每年对触摸屏的需求 十分巨大，2012年I T O导电玻璃的市 场容量达到了 8 500万～9 500万片。对 比现有手机触摸屏，石墨烯触摸屏具
石墨烯
超级电容器
图 4 石墨烯基超级电容器示意图
有 不 可 比 拟 的 优 势，它 更 环 保、更 便 宜，也更耐用。当前已有多家公司制造 出了样品，预计石墨烯触摸屏在近一 两年就有望实现量产。 5. 石墨烯复合材料
是如此，因此电子具有非常快的运动 法和气相沉积法。
速度（能够达到光
超过了电子在其他金属导体或半导体 石墨烯薄片从较大的石墨晶体上剥
中的运动速度，正因如此，石墨烯拥有 离下来的方法，操作相对简单，但制
超强的导电性能。
作 的 石 墨 烯 尺 寸 难 以 控 制，不 适 合