石墨烯的概念及其發(fā)展

摘 要：近年來，石墨烯概念受到各國政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，有關(guān)石墨烯的制備和應(yīng)用技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。文章旨在通過對石墨烯概念及其發(fā)展態(tài)勢的介紹，使得社會(huì)公眾對石墨烯技術(shù)有進(jìn)一步的了解，從而更好地推動(dòng)石墨烯技術(shù)的知識(shí)普及，推動(dòng)石墨烯技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：石墨烯，概念，納米材料

中圖分類號(hào)：N04；TJ04；06 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578（2014）S1-0045-03

The Concept and Development of Graphene

YANG Jinjun

Abstract：In recent years， the concept of graphene attracts attention of many governments， companies and research institutions. The preparation and applications technology of graphene have also made great progress. This paper aims to introduce the concept and development of graphene， making the public have a better understanding on graphene technology， so as to promote literacy of graphene， and promote the development of graphene technology in future.

Keywords：graphene，concept，nanophase materials

收稿日期：2014-06-27

作者簡介：楊進(jìn)軍（1981—），男，北京人，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心審查員，主要從事專利審查工作。通信方式：yangjinjun@sipo.gov.cn。

引 言

近年來，“石墨烯”概念不斷出現(xiàn)在人們的視野之中，成為技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，中國、美國、歐盟、日本、韓國等經(jīng)濟(jì)體均不斷加大對石墨烯技術(shù)的扶持力度。

2013年1月，歐盟委員會(huì)宣布，石墨烯技術(shù)在科研競賽中勝出，入選“未來新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”之一，該計(jì)劃將在未來10年時(shí)間內(nèi)提供10億歐元的研究資助，石墨烯旗艦項(xiàng)目由瑞典科學(xué)家牽頭負(fù)責(zé)，參與方包括來自世界各地的研發(fā)機(jī)構(gòu)，2014年6月，歐盟委員會(huì)再次宣布，石墨烯旗艦項(xiàng)目將再增加66家參與者，其規(guī)模將增長一倍。同時(shí)，德國、英國等歐盟內(nèi)國家也分別通過自身的科學(xué)基金會(huì)、科學(xué)研究委員會(huì)等機(jī)構(gòu)向國內(nèi)石墨烯技術(shù)的研究提供必要的幫助。

美國自2008年以來通過國防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）、國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）等機(jī)構(gòu)對石墨烯技術(shù)的研究進(jìn)行資助[1]。日本、韓國也不甘人后，大力扶持、推動(dòng)石墨烯技術(shù)的研究。

中國的石墨烯技術(shù)研究熱度同樣較高，其論文發(fā)表量、專利申請量均處于世界前列，工信部《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中將石墨烯作為納米材料提及，中國科學(xué)院2009年設(shè)立“石墨烯專項(xiàng)研究”計(jì)劃。同時(shí)，中國科學(xué)院以及國內(nèi)諸多企業(yè)也積極參與到石墨烯理論及應(yīng)用的研究中。

一 石墨烯的概念

1.石墨烯的起源

石墨烯概念如此火熱，那什么是石墨烯呢？簡單來講，石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的平面二維材料，就像平面薄膜，厚度約為0.335nm，大約20萬片疊加在一起才相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的厚度。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來講，其由碳原子以sp2雜化軌道組成六角形蜂窩狀。

在石墨烯被發(fā)現(xiàn)之前，這種結(jié)構(gòu)只存在于科學(xué)家的設(shè)想之中，且被認(rèn)為是無法穩(wěn)定存在的結(jié)構(gòu)。然而，2004年，供職于曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆（Andre Geim）與其學(xué)生康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）利用機(jī)械分離法由石墨中成功分離出石墨烯，并以此開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)成果獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2. 石墨烯的性質(zhì)

究竟是什么吸引了眾多的政府、機(jī)構(gòu)如此重視石墨烯的研究？主要是由于石墨烯作為一種全新的材料，具有其他材料所不具備的諸多優(yōu)良特性[2]。

機(jī)械力學(xué)特性：雖然石墨烯非常薄，但其機(jī)械力學(xué)特性十分突出，實(shí)質(zhì)上，石墨烯是目前人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)。形象地講，單層碳原子組成的石墨烯吊床可以支撐一只4kg的兔子，當(dāng)石墨烯材料達(dá)到普通保鮮膜的厚度時(shí)，則可以承載兩噸重的汽車。

導(dǎo)熱率：石墨烯的導(dǎo)熱率可以達(dá)到5300W/m·K，是銅的13倍，金剛石的5倍，在散熱領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用前景。

電子遷移率：石墨烯具有極高的電子遷移率，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)證明其電子遷移率可以達(dá)到25000cm2/v·s，且?guī)缀醪浑S溫度而變化，如此優(yōu)異的特性使其有可能替代硅（1400cm2/v·s）成為下一代晶體管材料。

電阻率：石墨烯的電阻率非常低，稍低于銀的電阻率，而銀是之前已知的室溫條件下電阻率最低的物質(zhì)，這使得石墨烯可以應(yīng)用于透明電極領(lǐng)域以改善電池性能。

光學(xué)特性：石墨烯材料幾乎透明，其對可見光的吸收率僅有2.3%，透光率高達(dá)97.7%，這使得其在觸摸屏、顯示器等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

柔性：石墨烯具有很好的柔性，在一定程度上可以彎折，這使得制造可彎曲的屏幕成為可能。

生物學(xué)特性：有些研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯材料可以抑制病菌的生長，但對人體正常細(xì)胞卻沒有影響，可以利用其制造繃帶等醫(yī)用產(chǎn)品。

此外石墨烯還具備高比表面積等優(yōu)良特性。

二 石墨烯的發(fā)展

1. 國際研究態(tài)勢

石墨烯的主要研究國家包括：歐盟各國、美國、中國、日本、韓國等，主要研究機(jī)構(gòu)包括IBM、Intel、三星、索尼、陶氏化學(xué)、通用、施樂公司、中國科學(xué)院重慶綠色智能研究院、江南石墨烯研究院、貴州新碳高科有限責(zé)任公司、金路集團(tuán)、寧波墨西科技有限公司、常州二維碳素科技有限公司、稀炭新材料研究院等。

從學(xué)術(shù)研究方面來看，截至2014年6月，ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫共收錄以graphene作為主題詞的文獻(xiàn)127 903篇，其文獻(xiàn)量自2009年以來呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢，其中中國學(xué)者發(fā)表35 713篇，占27.9%，美國學(xué)者發(fā)表25 773篇，占20.2%，兩者之和接近總文獻(xiàn)量的一半，其他國家主要還有韓國、日本、德國、印度等，其文獻(xiàn)量均未超過10%。

從專利申請量來看，在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CPRSABS）中，截至2014年6月，已經(jīng)公開的“石墨烯”相關(guān)申請量共5314項(xiàng)。國內(nèi)申請量為4958項(xiàng)。國外申請量為356項(xiàng)，占總申請量的6.7%，其中美國申請112項(xiàng)，日本申請93項(xiàng)，韓國申請72項(xiàng)，德國申請33項(xiàng)，其他國家申請量相對較小。在世界專利文摘庫（SIPOABS）庫中，截至2014年6月，已經(jīng)公開的“graphene”相關(guān)申請量共10 376項(xiàng)。其中申請國別為中國的超過4000項(xiàng)，美國的約2500項(xiàng)左右，其余主要申請國還包括韓國、日本，以及歐盟各國等。

國內(nèi)外石墨烯研究方向主要包括其制備方法及應(yīng)用。現(xiàn)在的制備方法主要包括機(jī)械剝離法、真空外延生長法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、氧化石墨還原法、有機(jī)合成法等。基于石墨烯的優(yōu)良性質(zhì)，其應(yīng)用研究領(lǐng)域目前主要涉及透明電極、傳感器、石墨烯電池、超級(jí)電容器、顯示器件、散熱材料、復(fù)合材料、晶體管、藥物控制釋放、儲(chǔ)氫材料等方向。

2.研究成果

2011年4月7日，IBM公司宣布研制成功世界上最快的石墨烯晶體管，其每秒能夠執(zhí)行1550億個(gè)循環(huán)操作。

2011年5月，美國加州大學(xué)的華裔科學(xué)家利用石墨烯研制成功世界上最小的光學(xué)傳感器，其體積極小、重量極輕，且價(jià)格便宜，傳輸速度可以達(dá)到100G/s的級(jí)別，是普通銅導(dǎo)線的一萬倍，將有望極大提高上網(wǎng)速度。

2012年1月，江南石墨烯研究院與常州二維碳素科技有限公司宣布，共同研制成功全球首款手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏，并完成功能測試。

2012年8月16日，諾基亞公司在美國申請的石墨烯光傳感器專利公開，其可以利用石墨烯高透光率特性實(shí)現(xiàn)微弱光線的檢測。

2013年1月，中國科學(xué)院重慶綠色智能研究院宣布，成功制備出15英寸單層石墨烯，其可應(yīng)用于可彎折觸摸顯示屏的制造。

2013年4月，貴州新碳高科有限責(zé)任公司宣布，成功制備國內(nèi)首個(gè)柔性石墨烯散熱薄膜，其導(dǎo)熱效率為銅的2～4倍。

值得一提的是，谷歌（Google）公司一個(gè)名為Google X的神秘科研部門，有許多看似瘋狂的研究計(jì)劃，其中就包括太空電梯，如果其建成將以微小的能耗將人送入空間軌道，但建造太空電梯的材料需要比鋼強(qiáng)100倍，同時(shí)重量只有其1/7以下，顯然石墨烯具備這樣的特點(diǎn)，這使得太空電梯的制造成為可能。

三 結(jié) 語

現(xiàn)階段對石墨烯的研究還處于新興階段，石墨烯的大規(guī)模制備技術(shù)還很不成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也還需要進(jìn)一步地拓展。很多學(xué)者非常看好其應(yīng)用前景，甚至斷言其將開創(chuàng)一個(gè)石墨烯的時(shí)代，相信在不久的將來，石墨烯的制備、應(yīng)用技術(shù)將得到長足的發(fā)展，為人類生活帶來顯著的變革。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬勇，馬廷燦，馮瑞華，等.石墨烯國際發(fā)展態(tài)勢分析[J].科學(xué)觀察，2010，5（3）：25-34.

[2] 鄒鵬，黃德歡.石墨烯及其應(yīng)用[J].科學(xué)，2014，66（1）：29-32.