未來(lái)完美半導(dǎo)體材料——石墨烯 - 全文

　　世界上有這么種物質(zhì)，它透明，有韌性，它極其堅(jiān)硬，防水，它存量豐富，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠并且它的電阻率是世界上已知物質(zhì)中最小的。它就是石墨烯，一種擁有完美性能的材料，科學(xué)家和企業(yè)家都為之著迷。

　　石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格結(jié)構(gòu)。

　　它早在2004年就被第一次合成出來(lái)，但它一直等到2010年才聲名鵲起，原因是它的兩位發(fā)現(xiàn)者俄羅斯籍學(xué)者安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）共同獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。安德烈·海姆在獲獎(jiǎng)感言中說(shuō)，石墨烯的應(yīng)用前景是不可估量的。

　　由石墨烯做為兩極制成的電池樣品續(xù)航能力是普通電池的10倍，所需的充電時(shí)間也更少。

　　這種材料用途極廣，可以用來(lái)制造擁有透明彈性屏幕和超高速太陽(yáng)能充電電池的電子設(shè)備。它在航空，醫(yī)藥和其他領(lǐng)域的應(yīng)用目前正在研究開(kāi)發(fā)中。除此之外，它擁有極佳的結(jié)構(gòu)可以更具具體的需求被改造成新的所需材料。也就是說(shuō)，它就像萬(wàn)能材料。

　　對(duì)石墨烯性能的研究已經(jīng)成為了世界許多科學(xué)家的課題。其中西班牙的理論物理學(xué)家做出了突出的貢獻(xiàn)。

　　開(kāi)發(fā)階段

　　所有人都在談?wù)撨@種材料，然而只有沒(méi)幾個(gè)人見(jiàn)過(guò)其真身。這是因?yàn)楸M管石墨烯的應(yīng)用前景無(wú)量，但它現(xiàn)在仍然處于開(kāi)發(fā)階段。石墨烯是一種極薄的碳復(fù)合薄膜（僅有一個(gè)原子的厚度）。由石墨中分離而出，石墨通常被用來(lái)制作鉛筆，剎車(chē)片或者生產(chǎn)鋼。作為原材料石墨在在自然界中蘊(yùn)藏豐富。獲得石墨可以通過(guò)開(kāi)采天然石墨礦（西班牙這種礦的礦藏很豐富）或者人工合成石墨。

　　然而，目前主要的障礙是沒(méi)法大規(guī)模的生產(chǎn)石墨烯。熱蘇斯。德拉。福恩特（Jesús de la Fuente）向記者解釋說(shuō)。他是西班牙格拉費(fèi)納納米材料公司（Graphenea Nanomaterials）的總裁。而該公司是目前僅有的幾家生產(chǎn)這個(gè)材料的公司之一。西班牙以石墨烯作為生意的公司還有 Avanzare 公司和GranphNanotech 公司。

　　生產(chǎn)石墨烯的方法有好幾個(gè)。撕膠帶法（機(jī)械剝離）就是當(dāng)初海姆發(fā)明石墨烯的方法，這個(gè)方法可以用在一些實(shí)驗(yàn)中，但在工業(yè)生產(chǎn)中不是一個(gè)有效的方法。它的商業(yè)化最起碼需要2個(gè)形態(tài)：薄膜狀和粉塵狀。
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　　薄膜狀石墨烯

　　總部位于西班牙圣塞巴斯蒂安（San Sebastián）的格拉費(fèi)納公司（Graphenea）是生產(chǎn)薄膜狀石墨烯的三大國(guó)際公司之一（另外兩家是美國(guó)公司）。德拉。福恩特在電話(huà)采訪(fǎng)中說(shuō)：“我們生產(chǎn)的是高純度石墨烯，擁有最佳性能。通常用來(lái)生產(chǎn)電池電極，觸摸屏，太陽(yáng)能電池板，電子數(shù)碼產(chǎn)品和用于航空行業(yè)的高速模擬計(jì)算機(jī)或高級(jí)合成材料?！?/p>

　　該公司生產(chǎn)石墨烯使用的不是石墨，而是沼氣。使用一項(xiàng)名為化學(xué)氣相沉積的技術(shù)（Chemical Vapor Deposition， CVD，是一種用來(lái)產(chǎn)生純度高、性能好的固態(tài)材料的化學(xué)技術(shù)）。福恩特說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)讓我們擁有了很大的優(yōu)勢(shì)，我們不再依賴(lài)任何的礦產(chǎn)品了?！?/p>

　　鍍石墨烯硅片樣品|攝于格拉費(fèi)納公司

　　福恩特解釋了石墨烯片制作的過(guò)程：“在化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中輸入含碳的氣體，然后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，分離氣體中的碳原子，使其附著在一塊金屬薄片上。接下來(lái)的一步是把石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到另一塊最終薄片上，薄片可以是聚合物片，玻璃片，硅片或者其他材質(zhì)的薄片，這取決于它的用途?！?/p>

　　價(jià)格根據(jù)它的尺寸大小和性能會(huì)有所不同。最近幾年已經(jīng)下降了一半?，F(xiàn)在一塊石墨烯片市值是300到1000歐元。這價(jià)格對(duì)于從事研究的消費(fèi)者是可以觸及的，但對(duì)其他用戶(hù)來(lái)說(shuō)太昂貴了。德拉。福恩特說(shuō)他們?cè)诘却﹥r(jià)格

　　的逐步降低，“5年后，它的價(jià)格就會(huì)比硅還便宜，目前一塊硅片價(jià)值50歐元。”“隨著市場(chǎng)的升級(jí)，價(jià)格會(huì)降低。實(shí)際上生產(chǎn)1個(gè)薄片的價(jià)格和生產(chǎn)10萬(wàn)個(gè)是一樣的。”他說(shuō)。

　　這家公司從2011年夏天開(kāi)始向他的客戶(hù)（研究機(jī)構(gòu)和大公司）供應(yīng)這種材料?！?盡管西班牙有大量的石墨烯研究項(xiàng)目，但我們99%的產(chǎn)品是賣(mài)給國(guó)外客戶(hù)的。那些新興企業(yè)正在研發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品，而與此同時(shí)那些大公司則在等待時(shí)機(jī)?！彼f(shuō)。

　　超長(zhǎng)電池續(xù)航

　　“我們所出售的石墨烯，尤其是用來(lái)測(cè)試的石墨烯。大多數(shù)都用來(lái)做能源儲(chǔ)存。應(yīng)用在超級(jí)電容器（用于汽車(chē)，電車(chē)和配電器的線(xiàn)路效率優(yōu)化）和電池中。有實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明使用石墨烯電極的電池?fù)碛衅胀姵?0倍的續(xù)航能力”。

　　事實(shí)上，這種材料可以解決智能手機(jī)的主要缺點(diǎn)之一，續(xù)航能力幾乎不超過(guò)一天。使用石墨烯電極制造的樣品電池，其續(xù)航能力是市場(chǎng)中出售的普通電池的10倍，它的充電時(shí)間也很短（只需半小時(shí)）。

　　然而，我們還要再等幾年之后才能使用這種電池。德拉。福恩特說(shuō)，諾基亞公司（他的主要客戶(hù)）五年內(nèi)不會(huì)把含有石墨烯的產(chǎn)品市場(chǎng)化。

　　石墨烯還會(huì)應(yīng)用在OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）電視機(jī)中，之后生產(chǎn)這些電視機(jī)就會(huì)用有機(jī)材料和可持續(xù)環(huán)保材料：“現(xiàn)在生產(chǎn)用的是稀土，對(duì)環(huán)境會(huì)有很大的影響。此外，稀土的價(jià)格翻了十倍。”行業(yè)正在尋找一種更經(jīng)濟(jì)更可持續(xù)的替代物，因此石墨烯就成為了替代品之一。

　　而關(guān)于太陽(yáng)能板，德拉。福恩特說(shuō)，他們的目標(biāo)運(yùn)用石墨烯使太陽(yáng)能板的效率達(dá)到42%（也就是說(shuō)，吸收到的太陽(yáng)能有42%轉(zhuǎn)化為電能。目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能板能量轉(zhuǎn)化率大約是16%）。

　　粉塵狀石墨烯

　　粉塵狀石墨烯被應(yīng)用在需要更廉價(jià)材料的用途中，比如混合建筑材料（通常和其他材料混合）?！胺蹱钍┑纳a(chǎn)是用石墨作為原材料，然后通過(guò)劇烈氧化和超聲波降解法來(lái)分解石墨中的石墨烯小薄片，”熱蘇斯。德拉。福恩特解釋說(shuō)。

　　它的性能沒(méi)有薄膜狀石墨烯的性能那樣好，導(dǎo)電能力也更差些。這種產(chǎn)品的需求量一直都很小。它的價(jià)格取決于它的純度。質(zhì)量低的每克10歐元，質(zhì)量高的價(jià)格達(dá)到每克100歐元。

　　石墨烯氧化物和石墨烯粉末|攝于格拉費(fèi)納公司

　　“我們也為帆船比賽團(tuán)隊(duì)工作，他們需要碳纖維的填充物（石墨烯能強(qiáng)化碳纖維）?！睘榱税咽┻\(yùn)用在建造材料中他們也做了很多實(shí)驗(yàn)，但德拉。福恩特認(rèn)為石墨烯在這個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用很困難，因?yàn)椤斑@需要非常大的量和便宜的價(jià)格”。

　　科學(xué)家也正在研究它應(yīng)用于醫(yī)藥業(yè)的可能性。比如，用于生產(chǎn)生物傳感器和檢測(cè)DNA。“它同樣有可能被利用來(lái)進(jìn)行神經(jīng)元植入和神經(jīng)受損組織再生，”德拉。福恩特同時(shí)還表示，就算這些高科技醫(yī)學(xué)能被證實(shí)是可行的，等到投入使用還得再等上幾年。

　　與此同時(shí)，西班牙國(guó)家科學(xué)研究院（CSIC）的馬德里材料科學(xué)研究所的研究員艾爾莎。普拉達(dá)（Elsa Prada）指出，石墨烯材料同樣可能運(yùn)用在生物裝置，醫(yī)藥和食品殺菌包裝和輕便堅(jiān)硬的復(fù)合材料（用于飛機(jī)，汽車(chē)等）上。

　　人造石墨烯

　　盡管具有非凡的特性，但石墨烯并不是完美的。然而，它是一個(gè)非常好的樣品，可以基于它改造出具有新特性的完美材料。也可以說(shuō)是，石墨烯究極版材料。根據(jù)這個(gè)原理最新發(fā)明了被稱(chēng)為“人造石墨烯”的材料。這項(xiàng)研究發(fā)表在了最近的《自然》雜志上，發(fā)表者是西班牙人巴克?；{（ Paco Guinea），他是世界上研究石墨烯的著名專(zhuān)家之一。

　　這位馬德里材料科學(xué)研究所的研究員與美國(guó)斯坦福大學(xué)的同事們一起發(fā)明了這種人造材料，他向本報(bào)記者透露，“它可以讓我們更精確的應(yīng)用其更為奇妙的特性?！边@種被命名為人造石墨烯的材料具有和石墨烯類(lèi)似的特性，它的出現(xiàn)開(kāi)啟了該種材料大規(guī)模生產(chǎn)之路?！坝捎诂F(xiàn)有的石墨烯沒(méi)有達(dá)到必要的純度，所以人造石墨烯能夠被用來(lái)研究現(xiàn)有石墨烯身上觀察不到的特性。”他在致本報(bào)的一封郵件中如是說(shuō)。

　　格拉費(fèi)納公司生產(chǎn)石墨烯的過(guò)程之一，于圣塞巴斯蒂安（西班牙一個(gè)城市）。

　　這種新材料通過(guò)一氧化碳分子依附在銅表面上而制得，基納說(shuō)：“同樣可以使用別的金屬?！比欢壳埃叭斯な┑脑靸r(jià)要比其他石墨烯高得多?！?/p>

　　基納相信，“大幅降低成本”是石墨烯產(chǎn)品商業(yè)化的必要條件。該名研究員也期待“人造石墨烯的出現(xiàn)能幫助其他研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)”。

　　其他材料的啟蒙者

　　在所有石墨烯的衍生二維材料中（譯者：石墨烯為二維材料），艾爾莎。普拉達(dá)（Elsa Prada）突出介紹了其中幾種材料：氟代石墨烯（性能非常類(lèi)似聚四氟乙烯，Teflon，擁有良好的潤(rùn)滑性并且完全不導(dǎo)電），六方氮化硼（絕緣晶體并透明，高硬度，與石墨烯的結(jié)合優(yōu)化了其機(jī)電性能），二硫化鉬（一種二維晶體，在應(yīng)用與制作新型晶體管方面，前途無(wú)量）和硅化石墨烯（一種用硅做的石墨烯版本。它擁有石墨烯普遍的性能，它的優(yōu)勢(shì)是它能更容易的與目前常用的含硅的電子原件通用）。

　　普拉達(dá)曾與石墨烯的發(fā)明者之一康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）公事過(guò)。她說(shuō)西班牙在這種材料的研究領(lǐng)域處于世界前列：“歐盟石墨烯旗艦研究項(xiàng)目（ proyecto Flagship）中的西班牙方面的研究是最為活躍的研究活動(dòng)之一，它推動(dòng)了石墨烯的基礎(chǔ)研究，同時(shí)也推動(dòng)了這些研究陳果的工業(yè)化進(jìn)程”，如果研究獲得了巨大成功，“那就可以想象在西班牙將會(huì)用大量資金投入研究和石墨烯的技術(shù)開(kāi)發(fā)之中”，普拉達(dá)說(shuō)。

　　“在目前金融危機(jī)的形勢(shì)下，我們國(guó)家應(yīng)該轉(zhuǎn)變成解決方案和高潛力高需求產(chǎn)品的生產(chǎn)者（不能僅僅是消費(fèi)者）。尤其是，石墨烯能使我們成為世界的領(lǐng)頭人，我們能將這項(xiàng)未來(lái)技術(shù)出口給全世界?！彼偨Y(jié)說(shuō)。