石墨烯规模制造竞赛【陈荣专栏-111】

【摘要】兼具韧性和迄今为止最高强度，使石墨烯成为人类大多数行业领域的材料未来之星，但它的产业化至今仍受制于大规模制造工艺。

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本文作者：陈荣

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这是一篇2014年的旧文，不过现在看来，石墨烯的问题还是那些问题。

新的制备工艺，能让石墨烯这个“救世主”一样的纳米材料迅速普及吗？

2014年2月8日，一个由法国、美国、德国三国研究机构和大学组成的研究团队，成功实现在碳化硅晶体的边缘带状凹槽上制备石墨烯纳米带，并且保证了常温下的石墨烯超级导电特性。

新的制备方法，将适用于大批量规模生产，并能够保证石墨烯纳米带的结构质量，这将使石墨烯在电子信息领域的广泛应用成为可能。

新材料未来之星

1956年，英特尔创始人之一戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律，认为集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

这一定律揭示的趋势持续了超过半个世纪，然而，从2000年开始，以硅为基础材料的晶体管加工工艺的升级速度已经放缓，关于摩尔定律即将失效的猜测纷至沓来。

摩尔定律继续生存的希望，在于寻找一个更革命性的基础材料，让晶体管继续突破物理性能极限——比如石墨烯。

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验中成功获得这种新型的纳米材料，此后10年来，石墨烯的应用空间，已被扩展到几乎无穷大的领域。

石墨烯和金刚石一样，成分都是碳，只不过两者的碳原子晶体结构排列不同，金刚石像是石墨生成的微小颗粒，而石墨烯则是仅有一层碳原子厚度的薄膜。

神奇之处在于，石墨几乎是矿物质中最软的材料，切成一个碳原子厚度的薄片后，却变成了最坚硬的材料，硬度比莫氏硬度10级的金刚石还高，但同时，石墨烯却又具有极高的韧性，可以随意弯曲。

这种兼具韧性和迄今为止最高强度的特性，使石墨烯迅速成为工业制造、航空、食品包装等领域的纳米材料未来之星。

一个例子是，美国哥伦比亚大学的一次实验发现，如果物理学家们能制取出相当于普通食品塑料包装袋厚度（约100纳米）的石墨烯，那么需要施加大约2万牛顿的压力才能将其扯断（1千克≈9.8牛顿）。

换句话说，用石墨烯制成的包装袋，一个就能装大约两吨重的物品。

这种轻薄而强韧的材料，同样被证明可以应用在微型医疗器械、防弹衣、汽车、飞机制造上，如果真的普及推广开来，它将全面颠覆当前的材料和工业制造世界。

更巨大的应用空间，则来自石墨烯的导电和导热特性。

石墨烯中，碳原子杂化形成了蜂巢晶格状的二维纳米材料，它的结构非常稳定，电子在其间的移动速度可达光速的1/300，电阻率远低于铜和银，是目前已知导电性能最好的材料。

这种最强导电性能，当然不仅仅是可以用来制作电线那么简单，结合它轻薄和强韧的机械特性，在能源储存、高频电路、光子传感器、触控屏幕等领域，石墨烯的应用前景无比广泛。

比如，IBM曾于2010年研制出一个频率100GHz的石墨烯晶体管，它如果换算成计算机处理器的频率，是目前硅芯片的100~ 1000倍。

更为接近普通大众的应用，是石墨烯充当电极的超级电池。美国加州大学洛杉矶分校工的一个研究团队研制成的微型石墨烯超级电容器，不仅外形小巧，而且充放电的速度比传统的标准电池快成百上千倍。

也就是说，如果手机电池用上它，充满一次电大概只需要5秒钟，即使是特拉斯这种风头正劲的电动车用上它，充一次电也不会超过5分钟，完美解决了电动车跑1小时后要停下来充6个小时电的尴尬。

产业瓶颈

但以上种种美妙的想象，都在目前石墨烯的制造工艺面前戛然而止。

从发现至今已逾10年，石墨烯替代硅的晶体管大规模制造工艺依旧没能成型。

2010年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫两位物理学家因获取和应用石墨烯的研究，获得当年的诺贝尔物理学奖，但他们首次从石墨中剥离出石墨烯的方法毫无科技含量可言，除了必备的石墨块，剩下的工具只是几卷透明胶带。

没错，就是生活中再普通不过的胶带。整个过程也有些阴差阳错，盖姆教授最初只是想得到尽可能薄的石墨薄膜，但他手下的一位中国博士生用传统的抛光机打磨到极限，得到的石墨薄膜仍“厚”达10微米，足足相当于1000层石墨烯的厚度。

无奈之下，盖姆看到了手边的透明胶带，石墨具有完整的层状特性，为什么不试试按层剥离？

于是，盖姆用透明胶带在石墨块上粘了一下，这样石墨层就黏在了胶带上，再把胶带对着黏一下拉开，石墨层就变薄了，继续用胶带反复黏，石墨层越来越薄，最终获得了只有一层碳原子的石墨烯。

正是因为胶带作出的“巨大贡献”，盖姆和诺沃肖洛夫获得的奖项也被开玩笑为“胶带成就的诺贝尔奖”。不过这种“土”办法虽然简单，生产效率却实在低下，一个人花上一天时间，才能制出一小片石墨烯，远不能满足工业化和规模化的需要。

事实上，自2004年首次剥离出石墨烯至今，在全球业界几乎狂热的追捧和研究下，已出现了各种各样的石墨烯制备技术，比如化学气相沉淀法、氧化还原法、溶液分离法、光照还原法、微波法、电化学法，等等。

这其中，化学气相沉淀和氧化还原是两种比较主流的技术方法。前者是在金属表面生长出单层率很高、面积很大的石墨烯薄膜材料，后者是将天然石墨通过氧化还原反应形成石墨烯粉体。

但不管是化学气相沉淀还是氧化还原法，需要的额外制备材料成本都不低，而且过程复杂，这导致石墨烯成品的成本一直居高不下，所制成的石墨烯还或多或少会存在一定的拓扑缺陷或者结构缺陷，大大影响了石墨烯的导电特性。

当然，这个问题也被各国科研机构和企业视为机遇所在，正因为全球都没有现成的技术和经验，大家都处于同一起跑线，那么谁能率先掌握核心技术，实现石墨烯的产业化应用，就有可能率先抢占新型纳米工业时代的入口。

在官方的宣传中，2014年2月的新制备方法自称已有望实现大批量规模生产，如果真的已解决工艺和成本问题，它就将有望成为一个石墨烯全面产业化的破局点。

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