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石墨烯技术发展全景分析

北极星储能网  来源:新材料产业  作者:章潇慧  2017/2/14 8:54:40  我要投稿  

北极星储能网讯:石墨烯,一种碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的炭质二维材料,以其超高的比较面积〔单层石墨烯比表面积理论计算为2 630 m2/g)、优异的电子迁移率(20 000 cm2/(V•s)〕、高的热导率(导热系数高达5 300 W/m•K)、超强的力学性能和良好的生物相容性,成为了学术界以及产业界研究和开发的热点,它可以应用于理论物理实验平台、纳米电子器件、超导材料、储能和产能器件、显微滤网和传感器和生物医药等领域。

目前美国、欧洲、韩国等制造业强国的石墨烯应用研究都开展的如火如荼;我国的石墨烯产业更是发展迅猛,由地方政府支持和孵化,在高校及科研院所的技术支撑下,涌现出了如天津普兰纳米科技有限公司、南京先丰纳米材料科技有限公司、常州二维碳素科技股份有限公司、常州第六元素材料科技股份有限公司等一批专业从事石墨烯材料生产与元件技术的高科技企业。不仅如此,为了整合协调产业资源,推进低成本石墨烯及装备技术进步和产业化而创办的“中国石墨烯产业技术创新战略联盟”,更是在建立石墨烯上下游、产学研信息、知识产权等资源共享,建立与政府沟通的渠道及人才培养、国际合作的平台,推动标准、评价、质量检测体系的建立,提升低成本石墨烯的整体竞争力方面,正做着探索性的努力和尝试。

在如今石墨烯产业化一片欣欣向荣的大背景下,规划石墨烯及其相关技术发展路线,引领石墨烯(包括相关二维晶体材料)及杂化体系产品的技术发展路线成为了当务之急。

一、石墨烯及其相关材料

石墨烯及其相关材料(graphene and related materials,GRM)突破性技术的诞生,无疑将使人类更多目标成为可能,它能克服价值链中材料、元件和系统的发展瓶颈;GRM的特殊性能将成为未来应用的关键技术,这些技术也许在眼前还尚不能实现,但对这些技术的研究和应用,必将为人类带来新的发展机遇。

根据欧洲旗舰计划2015年编制的石墨烯发展技术路线规划图,GRM发展的关键技术包括:材料技术,用来鉴定和评价新的二维材料,评估这些新材料的应用前景;GRM材料的可靠性、可重复性、可持续性、安全性,宏量合成方法等研究,满足不同应用领域的特殊需求。元件技术,用于鉴定和评价由GRM材料功能化的新元件;鉴定和评价利用GRM材料构建的元件技术;研究高频电子学、光电子学、自旋电子学和传感器技术的电子元件技术。系统集成,用于研究基于GRM材料的元件结构,并发展提供新功能、开辟新应用领域的系统组装方法;发展GRM集成于已有技术平台的新概念;研究纳米复合材料、柔性电子学和能量应用的集成方法。

通过对GRM知识基础发展和新型器件技术路线积累的概括,有助于人类规划和创新GRM相关技术的发展,最终的目标是将GRM集成到未来应用系统当中。在信息和通讯技术领域,可以关注能带来新应用方向的技术,如变形的概念(Morph concept),探索GRM的电学、光学和力学性能,从而实现个人通讯器材的新突破。

在物质交换领域,更多地关注能量生产与存储的关键技术,以及新型功能轻质复合材料在这一领域的应用。GRM材料和技术在这一技术领域中,将有可能集成到新型飞机、大巴、电动汽车等交通运输系统之中。利用了GRM可视化技术的Smart-ForVision概念电动车如图1所示。

图1 融合了可视化技术的Smart-ForVision概念电动车

在健康和能源领域,通过对GRM材料特殊电学和光学性能的研究和探索,学术界和工业领域将有希望明确新型信息处理和通讯系统的发展方向。针对目前已成形的GRM材料和技术,欧洲旗舰计划为GRM发展规划了11个技术领域,包括基础研究、健康与环境、制备、电学器件、自旋电子学、光学与光电子学、传感器、柔性电子学、能量存储与产生、复合材料、生物医药应用。未来10~20年之间,以上11个领域中,都将出现石墨烯的身影,预计到2030年,GRM相关材料和技术将可以直接转换成为消费品,走到消费者身边,如图2的预测所示。下面将按照GRM材料和技术的科研和专利产出2方面,就目前石墨烯材料和技术的发展进行全景分析。

图2 GRM产品发展趋势预测

二、GRM材料和技术的科研产出

通过研究GRM技术发展,不难看出GRM材料和技术的研究是“平移式”纳米技术出现的典型案例。也就是说,石墨烯在实验室中被发现,而很快被转移到实际的应用研究之中。自2007年开始,关于石墨烯的科技论文和专利活动在世界范围内同时迅速的增长,即在科研和应用大量领域,石墨烯的出现,都引起了人们的广泛关注。这一事实恰好证明了GRM技术是平移式的纳米技术。

生物医药领域的研究和开发,是基础研究与临床实践结合的最紧密的方向,它与转移技术的概念息息相关,也可以应用到更广泛的领域之中进行推广。一个典型案例是巨磁电阻的出现,仅仅用了几年的时间,相关研究就从学术界发展成为信息存储应用技术的主导方向。而与之相比,GRM技术的应用前景则具有更深远的影响力:将GRM元件集成到Si基电子工业领域中,或可逐步替代Si的应用,不仅能够提供更高的性能,还可能发现更重要跟新的应用领域。

不仅如此,碳材料一直以来都是多种技术解决方案的驱动力:19世纪,通过煤碳的燃烧,人类获得能量,推进了第1次工业革命的进程;20世纪,碳基的塑料革命性的推动了制造业的发展;21世纪,石墨结构的碳材料会成为第3次技术革命的关键组成。

如图3所示,2000年以来,与石墨烯相关的科技论文呈逐年增长的趋势,且这种增长没有任何要减慢的趋势。石墨烯领域研究的热度不减,原因是多方面的:首先,石墨烯是一种具有特殊性能的材料,无论是分隔开还是结合看,这些性能都可以应用到多个领域。随着时间的推移和石墨烯技术的进步,人们总是能发现它的新能力和新用途。其次,石墨烯科技的发展是建立在地球上最丰富的元素的基础之上的,这就使GRM技术成为了一项稳定、可持续、经济的技术。第三,石墨烯是一种二维材料,它不仅适用于信息与通讯领域的生产,同时也适用于传统的Si材料元器件的研发。

图3 石墨烯相关科技论文的发表情况

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