中國(guó)粉體網(wǎng)5月7日訊 新物質(zhì)元素的出現(xiàn)是可以導(dǎo)致科技劇變的標(biāo)志，在技術(shù)革命時(shí)代，任何一個(gè)有可能顛覆人們觀(guān)念的材料、組合或者化學(xué)反應(yīng)都將讓一批又一批探路者為之付出和興奮。石墨烯，一種由碳原子組成的新材料，在2010年被評(píng)為諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后，這一導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，對(duì)于諸多行業(yè)的影響都極大，而這一納米導(dǎo)體會(huì)影響怎樣的產(chǎn)品變化呢，科學(xué)家在花費(fèi)10億歐元的同時(shí)，注定必須要打通一些瓶頸，這背后的各種可能性，究竟是什么？
歐盟委員會(huì)于今年1月批準(zhǔn)了石墨烯旗艦項(xiàng)目。此前，石墨烯研究已經(jīng)是世界上規(guī)模最大的材料科研項(xiàng)目，總計(jì)有數(shù)百名來(lái)自歐洲17個(gè)國(guó)家的科學(xué)家參與。在旗艦項(xiàng)目于11月25日提交進(jìn)一步的項(xiàng)目提案后，石墨烯研究必將進(jìn)一步擴(kuò)大。
石墨烯：更透明顯示屏技術(shù)瓶頸分析
石墨烯是當(dāng)前人類(lèi)制造出的最薄、最硬的納米物質(zhì)：一薄片碳原子以六邊蜂窩型呈現(xiàn)，堅(jiān)硬如金剛石，其強(qiáng)度是鐵的數(shù)百倍。但與此同時(shí)卻具有極高的柔韌度，甚至具備可伸縮性。以石墨烯為媒介在室內(nèi)環(huán)境下傳輸電流，其速度超過(guò)任何已知的導(dǎo)體材料。此外，它還能將任意波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的光流。自從石墨烯于10年前第一次被分離出來(lái)后，研究者針對(duì)它潛在的用途提出了多種設(shè)想——從更快的電腦芯片到更靈活的觸摸屏，新型電池以及可開(kāi)發(fā)的更多產(chǎn)品。
因此，業(yè)界提出針對(duì)石墨烯開(kāi)展技術(shù)革新。該觀(guān)點(diǎn)于2011年首次提出，旨在促成一項(xiàng)由多國(guó)共同推動(dòng)的“石墨烯旗艦技術(shù)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目時(shí)長(zhǎng)10年，總投入為10億歐元（約合13.5億美元），歐洲各國(guó)共同努力將石墨烯從實(shí)驗(yàn)室引領(lǐng)到工業(yè)領(lǐng)域。除此外，為了彌補(bǔ)石墨烯的缺陷，旗艦項(xiàng)目還將研究超過(guò)12種原子超薄材料，與石墨烯搭配使用。
近來(lái)最新的兩項(xiàng)研究似乎對(duì)石墨烯而言不是很好的消息。其一，布朗大學(xué)的生物學(xué)者、工程師和材料科學(xué)家團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了這種材料對(duì)于人體細(xì)胞的潛在毒性。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯納米粒子的鋸齒邊緣非常鋒利和強(qiáng)勁，能夠輕易穿刺入人類(lèi)皮膚以及免疫細(xì)胞的細(xì)胞膜。石墨烯的可利用性，在近期再次被質(zhì)疑。
全球首個(gè)全碳等離子激光器問(wèn)世
澳大利亞莫納什大學(xué)的科學(xué)家日前撰文稱(chēng)，他們研發(fā)出了全球首個(gè)完全由碳基材料制成的等離子激光器。該技術(shù)有望在提高運(yùn)行速度的同時(shí)，徹底改變電子產(chǎn)品的外形。未來(lái)，如名片般輕薄柔軟的手機(jī)甚至能被直接印制在衣服上。
負(fù)責(zé)此項(xiàng)研究的莫納什大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程學(xué)院（ECSE）博士蓋魯帕辛哈稱(chēng)，與半導(dǎo)體等離子激光器相比，碳基等離子激光器還將提供更多優(yōu)勢(shì)。
蓋魯帕辛哈說(shuō)：“目前傳統(tǒng)的等離子激光器大部分由金、銀等金屬納米顆粒和半導(dǎo)體量子點(diǎn)制成，而我們的設(shè)備則由石墨烯諧振器和碳納米管增益元件組成。使用碳意味著，這種激光器的效率更高、更柔軟便攜，能夠在高溫下工作，并且更加環(huán)保。
但有一些人質(zhì)疑該項(xiàng)目對(duì)于石墨烯的期望是不是過(guò)大，這種跨學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)的合作不可避免地受到官僚主義的束縛，它是否是推動(dòng)技術(shù)革新的最有效方法？國(guó)外納米專(zhuān)家表示：“這種方法并不能真正推動(dòng)產(chǎn)品革新�！贝送猓恍﹨⑴c項(xiàng)目的研究者擔(dān)憂(yōu)：在未來(lái)幾年中，政治力量會(huì)壓過(guò)本應(yīng)處于最優(yōu)先位置的科研活動(dòng)，控制本就分散的資金來(lái)源。說(shuō)白了，就是不能給你白花錢(qián)。
不過(guò)，由于對(duì)旗艦項(xiàng)目的未來(lái)充滿(mǎn)信心，各國(guó)政府與包括諾基亞和空客公司在內(nèi)的行業(yè)合作伙伴將共同提供項(xiàng)目所需的一半資金，而歐盟委員會(huì)將提供另一半資金。旗艦項(xiàng)目負(fù)責(zé)人說(shuō)：“我希望10年后，基于石墨烯或者其他薄層材料的科學(xué)技術(shù)將成為主流。正如當(dāng)下我們廣泛地將聚合物、半導(dǎo)體技術(shù)以及制陶術(shù)應(yīng)用于生活中一樣，石墨烯總有一天也會(huì)如此。”
旗艦項(xiàng)目被細(xì)分為16項(xiàng)研究?jī)?nèi)容，其中大部分項(xiàng)目著眼于提升石墨烯在實(shí)際生活中的應(yīng)用，例如高頻電子、傳感器以及能量?jī)?chǔ)存。在項(xiàng)目啟動(dòng)階段投入5400萬(wàn)歐元后，該項(xiàng)目進(jìn)一步的研究提案總價(jià)值達(dá)900萬(wàn)歐元，預(yù)計(jì)于2016年年底前開(kāi)發(fā)出第一批技術(shù)原型。
產(chǎn)業(yè)行動(dòng)
目前旗艦項(xiàng)目的前端公司，一年石墨烯產(chǎn)量為差不多15平方米。今年，該公司利用氫的泡沫成功在沒(méi)有造成腐蝕的情況下將大型單片石墨烯從銅薄片中分離出來(lái)，提高了石墨烯的產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本。
但是，諾基亞公司傳感器負(fù)責(zé)人說(shuō)：“盡管前端公司作出了努力，石墨烯的生產(chǎn)過(guò)程仍然非常復(fù)雜，將石墨烯添加到基片上難度很大�！逼炫烅�(xiàng)目的目的是精煉化學(xué)氣相沉積（cvd）過(guò)程，并對(duì)備選生產(chǎn)方法進(jìn)行改良。
此外，問(wèn)題還在于如何把新鮮出爐的石墨烯從催化箔轉(zhuǎn)移到新的基片上。例如，當(dāng)把石墨烯安置在硅片上時(shí)，硅片會(huì)起褶皺。一個(gè)解決方法是直接在基片上制造石墨烯，或者將其安置在其他更堅(jiān)固、防護(hù)能力更強(qiáng)的單層上，諸如氮化硼。該方法于今年早些時(shí)候已經(jīng)開(kāi)始了小規(guī)模嘗試。但是要找到一項(xiàng)實(shí)用的生產(chǎn)方法仍然有很長(zhǎng)的一段路要走。石墨烯從出生至今，想要獲得更大空間，則需要一次徹底的突破。”
盡管在制造方面面臨諸多挑戰(zhàn)，但有人指出石墨烯已經(jīng)對(duì)市場(chǎng)造成了沖擊。例如，將多片單層合在一起的多層石墨烯可用于強(qiáng)化網(wǎng)球拍。此外，多層石墨烯可形成傳導(dǎo)性回路，馬里蘭州杰瑟普市沃爾貝克材料公司將其應(yīng)用于反盜竊包裝中。
優(yōu)勢(shì)變成致命缺陷
然而，在數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域，石墨烯最突出的優(yōu)點(diǎn)卻成為其最致命的缺點(diǎn)。原則上，石墨烯內(nèi)部具有極高流動(dòng)性的電子使其能夠以極高的速率處理數(shù)據(jù)，一些石墨烯器件的數(shù)據(jù)處理速度已達(dá)到400千兆赫，是硅器件的數(shù)倍。但由于石墨烯的電子間缺乏帶隙，一旦開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)則很難再把它關(guān)掉，這嚴(yán)重妨礙了邏輯運(yùn)算的進(jìn)行，因?yàn)檫壿嬤\(yùn)算的所有問(wèn)題都是開(kāi)與關(guān)的問(wèn)題。
如果將其他材料摻雜進(jìn)石墨烯，這會(huì)降低電子的流動(dòng)速度。因此，研究者正嘗試調(diào)和石墨烯的電氣性能，例如將石墨烯與其他單層材料相結(jié)合，或者以二硫化鉬和鎢聯(lián)硒化物為材料制造晶體管�？傊�，直接利用的難度現(xiàn)在來(lái)看是巨大的。
國(guó)外某科技公司認(rèn)為，石墨烯要想代替硅電子的地位，還有很長(zhǎng)的路要走。“除非真有強(qiáng)有力的理由，否則沒(méi)有人會(huì)放棄硅�！苯�，石墨烯晶體管最大的賣(mài)點(diǎn)可能在于它能在多種電壓下運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，而不是其開(kāi)通或者關(guān)閉的能力。石墨烯的應(yīng)用范圍包括，用于探測(cè)環(huán)境污染或者血氧水平的傳感器，以及手機(jī)內(nèi)部的信號(hào)發(fā)送器和接收器。
但是，要想充分掌握石墨烯的屬性并將其應(yīng)用于實(shí)際用途中，技術(shù)還面臨著巨大挑戰(zhàn)。大型號(hào)石墨烯的制造工藝非常復(fù)雜且十分昂貴，經(jīng)常使得碳原子破裂或撕裂，無(wú)法與實(shí)驗(yàn)室中完美比例的石墨烯相媲美。即便質(zhì)量過(guò)關(guān)，目前既沒(méi)有先進(jìn)的工業(yè)手段將石墨烯制造得如此之薄，也沒(méi)有技術(shù)將它與其他物質(zhì)結(jié)合從而生產(chǎn)出有用的產(chǎn)品。除此之外，它還有一個(gè)最大的弱點(diǎn)：雖然石墨烯中的電子流動(dòng)性極強(qiáng)，但它的其他屬性決定了石墨烯根本不適合開(kāi)關(guān)切換活動(dòng)，而這是數(shù)字電子技術(shù)的核心要求。
總結(jié)：中國(guó)自石墨烯出現(xiàn)至今，其實(shí)一直在做著大量的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)工作，理論性的東西雖然不多，但三星之前已經(jīng)表示，中國(guó)當(dāng)前的石墨烯生產(chǎn)能力已經(jīng)成為全球的領(lǐng)頭羊，中國(guó)企業(yè)加入全球供過(guò)于求的石墨烯市場(chǎng)，中國(guó)已在石墨烯的研究與制造方面取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，從而帶動(dòng)了價(jià)格下滑以及造成利潤(rùn)侵蝕，甚至可能導(dǎo)致這一興起中的產(chǎn)業(yè)重新洗牌。
歐盟委員會(huì)于今年1月批準(zhǔn)了石墨烯旗艦項(xiàng)目。此前，石墨烯研究已經(jīng)是世界上規(guī)模最大的材料科研項(xiàng)目，總計(jì)有數(shù)百名來(lái)自歐洲17個(gè)國(guó)家的科學(xué)家參與。在旗艦項(xiàng)目于11月25日提交進(jìn)一步的項(xiàng)目提案后，石墨烯研究必將進(jìn)一步擴(kuò)大。
石墨烯：更透明顯示屏技術(shù)瓶頸分析
石墨烯是當(dāng)前人類(lèi)制造出的最薄、最硬的納米物質(zhì)：一薄片碳原子以六邊蜂窩型呈現(xiàn)，堅(jiān)硬如金剛石，其強(qiáng)度是鐵的數(shù)百倍。但與此同時(shí)卻具有極高的柔韌度，甚至具備可伸縮性。以石墨烯為媒介在室內(nèi)環(huán)境下傳輸電流，其速度超過(guò)任何已知的導(dǎo)體材料。此外，它還能將任意波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的光流。自從石墨烯于10年前第一次被分離出來(lái)后，研究者針對(duì)它潛在的用途提出了多種設(shè)想——從更快的電腦芯片到更靈活的觸摸屏，新型電池以及可開(kāi)發(fā)的更多產(chǎn)品。
因此，業(yè)界提出針對(duì)石墨烯開(kāi)展技術(shù)革新。該觀(guān)點(diǎn)于2011年首次提出，旨在促成一項(xiàng)由多國(guó)共同推動(dòng)的“石墨烯旗艦技術(shù)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目時(shí)長(zhǎng)10年，總投入為10億歐元（約合13.5億美元），歐洲各國(guó)共同努力將石墨烯從實(shí)驗(yàn)室引領(lǐng)到工業(yè)領(lǐng)域。除此外，為了彌補(bǔ)石墨烯的缺陷，旗艦項(xiàng)目還將研究超過(guò)12種原子超薄材料，與石墨烯搭配使用。
近來(lái)最新的兩項(xiàng)研究似乎對(duì)石墨烯而言不是很好的消息。其一，布朗大學(xué)的生物學(xué)者、工程師和材料科學(xué)家團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了這種材料對(duì)于人體細(xì)胞的潛在毒性。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯納米粒子的鋸齒邊緣非常鋒利和強(qiáng)勁，能夠輕易穿刺入人類(lèi)皮膚以及免疫細(xì)胞的細(xì)胞膜。石墨烯的可利用性，在近期再次被質(zhì)疑。
全球首個(gè)全碳等離子激光器問(wèn)世
澳大利亞莫納什大學(xué)的科學(xué)家日前撰文稱(chēng)，他們研發(fā)出了全球首個(gè)完全由碳基材料制成的等離子激光器。該技術(shù)有望在提高運(yùn)行速度的同時(shí)，徹底改變電子產(chǎn)品的外形。未來(lái)，如名片般輕薄柔軟的手機(jī)甚至能被直接印制在衣服上。
負(fù)責(zé)此項(xiàng)研究的莫納什大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程學(xué)院（ECSE）博士蓋魯帕辛哈稱(chēng)，與半導(dǎo)體等離子激光器相比，碳基等離子激光器還將提供更多優(yōu)勢(shì)。
蓋魯帕辛哈說(shuō)：“目前傳統(tǒng)的等離子激光器大部分由金、銀等金屬納米顆粒和半導(dǎo)體量子點(diǎn)制成，而我們的設(shè)備則由石墨烯諧振器和碳納米管增益元件組成。使用碳意味著，這種激光器的效率更高、更柔軟便攜，能夠在高溫下工作，并且更加環(huán)保。
但有一些人質(zhì)疑該項(xiàng)目對(duì)于石墨烯的期望是不是過(guò)大，這種跨學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)的合作不可避免地受到官僚主義的束縛，它是否是推動(dòng)技術(shù)革新的最有效方法？國(guó)外納米專(zhuān)家表示：“這種方法并不能真正推動(dòng)產(chǎn)品革新�！贝送猓恍﹨⑴c項(xiàng)目的研究者擔(dān)憂(yōu)：在未來(lái)幾年中，政治力量會(huì)壓過(guò)本應(yīng)處于最優(yōu)先位置的科研活動(dòng)，控制本就分散的資金來(lái)源。說(shuō)白了，就是不能給你白花錢(qián)。
不過(guò)，由于對(duì)旗艦項(xiàng)目的未來(lái)充滿(mǎn)信心，各國(guó)政府與包括諾基亞和空客公司在內(nèi)的行業(yè)合作伙伴將共同提供項(xiàng)目所需的一半資金，而歐盟委員會(huì)將提供另一半資金。旗艦項(xiàng)目負(fù)責(zé)人說(shuō)：“我希望10年后，基于石墨烯或者其他薄層材料的科學(xué)技術(shù)將成為主流。正如當(dāng)下我們廣泛地將聚合物、半導(dǎo)體技術(shù)以及制陶術(shù)應(yīng)用于生活中一樣，石墨烯總有一天也會(huì)如此。”
旗艦項(xiàng)目被細(xì)分為16項(xiàng)研究?jī)?nèi)容，其中大部分項(xiàng)目著眼于提升石墨烯在實(shí)際生活中的應(yīng)用，例如高頻電子、傳感器以及能量?jī)?chǔ)存。在項(xiàng)目啟動(dòng)階段投入5400萬(wàn)歐元后，該項(xiàng)目進(jìn)一步的研究提案總價(jià)值達(dá)900萬(wàn)歐元，預(yù)計(jì)于2016年年底前開(kāi)發(fā)出第一批技術(shù)原型。
產(chǎn)業(yè)行動(dòng)
目前旗艦項(xiàng)目的前端公司，一年石墨烯產(chǎn)量為差不多15平方米。今年，該公司利用氫的泡沫成功在沒(méi)有造成腐蝕的情況下將大型單片石墨烯從銅薄片中分離出來(lái)，提高了石墨烯的產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本。
但是，諾基亞公司傳感器負(fù)責(zé)人說(shuō)：“盡管前端公司作出了努力，石墨烯的生產(chǎn)過(guò)程仍然非常復(fù)雜，將石墨烯添加到基片上難度很大�！逼炫烅�(xiàng)目的目的是精煉化學(xué)氣相沉積（cvd）過(guò)程，并對(duì)備選生產(chǎn)方法進(jìn)行改良。
此外，問(wèn)題還在于如何把新鮮出爐的石墨烯從催化箔轉(zhuǎn)移到新的基片上。例如，當(dāng)把石墨烯安置在硅片上時(shí)，硅片會(huì)起褶皺。一個(gè)解決方法是直接在基片上制造石墨烯，或者將其安置在其他更堅(jiān)固、防護(hù)能力更強(qiáng)的單層上，諸如氮化硼。該方法于今年早些時(shí)候已經(jīng)開(kāi)始了小規(guī)模嘗試。但是要找到一項(xiàng)實(shí)用的生產(chǎn)方法仍然有很長(zhǎng)的一段路要走。石墨烯從出生至今，想要獲得更大空間，則需要一次徹底的突破。”
盡管在制造方面面臨諸多挑戰(zhàn)，但有人指出石墨烯已經(jīng)對(duì)市場(chǎng)造成了沖擊。例如，將多片單層合在一起的多層石墨烯可用于強(qiáng)化網(wǎng)球拍。此外，多層石墨烯可形成傳導(dǎo)性回路，馬里蘭州杰瑟普市沃爾貝克材料公司將其應(yīng)用于反盜竊包裝中。
優(yōu)勢(shì)變成致命缺陷
然而，在數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域，石墨烯最突出的優(yōu)點(diǎn)卻成為其最致命的缺點(diǎn)。原則上，石墨烯內(nèi)部具有極高流動(dòng)性的電子使其能夠以極高的速率處理數(shù)據(jù)，一些石墨烯器件的數(shù)據(jù)處理速度已達(dá)到400千兆赫，是硅器件的數(shù)倍。但由于石墨烯的電子間缺乏帶隙，一旦開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)則很難再把它關(guān)掉，這嚴(yán)重妨礙了邏輯運(yùn)算的進(jìn)行，因?yàn)檫壿嬤\(yùn)算的所有問(wèn)題都是開(kāi)與關(guān)的問(wèn)題。
如果將其他材料摻雜進(jìn)石墨烯，這會(huì)降低電子的流動(dòng)速度。因此，研究者正嘗試調(diào)和石墨烯的電氣性能，例如將石墨烯與其他單層材料相結(jié)合，或者以二硫化鉬和鎢聯(lián)硒化物為材料制造晶體管�？傊�，直接利用的難度現(xiàn)在來(lái)看是巨大的。
國(guó)外某科技公司認(rèn)為，石墨烯要想代替硅電子的地位，還有很長(zhǎng)的路要走。“除非真有強(qiáng)有力的理由，否則沒(méi)有人會(huì)放棄硅�！苯�，石墨烯晶體管最大的賣(mài)點(diǎn)可能在于它能在多種電壓下運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，而不是其開(kāi)通或者關(guān)閉的能力。石墨烯的應(yīng)用范圍包括，用于探測(cè)環(huán)境污染或者血氧水平的傳感器，以及手機(jī)內(nèi)部的信號(hào)發(fā)送器和接收器。
但是，要想充分掌握石墨烯的屬性并將其應(yīng)用于實(shí)際用途中，技術(shù)還面臨著巨大挑戰(zhàn)。大型號(hào)石墨烯的制造工藝非常復(fù)雜且十分昂貴，經(jīng)常使得碳原子破裂或撕裂，無(wú)法與實(shí)驗(yàn)室中完美比例的石墨烯相媲美。即便質(zhì)量過(guò)關(guān)，目前既沒(méi)有先進(jìn)的工業(yè)手段將石墨烯制造得如此之薄，也沒(méi)有技術(shù)將它與其他物質(zhì)結(jié)合從而生產(chǎn)出有用的產(chǎn)品。除此之外，它還有一個(gè)最大的弱點(diǎn)：雖然石墨烯中的電子流動(dòng)性極強(qiáng)，但它的其他屬性決定了石墨烯根本不適合開(kāi)關(guān)切換活動(dòng)，而這是數(shù)字電子技術(shù)的核心要求。
總結(jié)：中國(guó)自石墨烯出現(xiàn)至今，其實(shí)一直在做著大量的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)工作，理論性的東西雖然不多，但三星之前已經(jīng)表示，中國(guó)當(dāng)前的石墨烯生產(chǎn)能力已經(jīng)成為全球的領(lǐng)頭羊，中國(guó)企業(yè)加入全球供過(guò)于求的石墨烯市場(chǎng)，中國(guó)已在石墨烯的研究與制造方面取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，從而帶動(dòng)了價(jià)格下滑以及造成利潤(rùn)侵蝕，甚至可能導(dǎo)致這一興起中的產(chǎn)業(yè)重新洗牌。
