“标号”与“杀手锏”，北大教授把脉石墨烯产业发展
编者按
在作为碳材料家族的“传奇人物”
石墨烯
并不算陌生的词语
在波谲云诡的时代
在日新月异的世界
如何让其焕发出
更强的生命力
如何让其发挥出
“杀手锏”般的作用
看北大教授如何回答
北京大学化学与分子工程学院刘忠范课题组和彭海琳课题组应邀在国际著名刊物《自然-材料》Nature Materials 上发表题为“石墨烯产业化-制备决定未来”的综述文章。Lin Li, Peng Hailin* and Liu Zhongfan* (2019) Synthesis Challenges for Graphene Industry. Nature Materials. 18, 520.
文章从石墨烯产业化的现状和存在的问题等方面进行了深入的探讨分析，并提出了“标号”石墨烯的概念和石墨烯未来可能的“杀手锏”级应用。
问题与挑战并重
过去的十几年里，石墨烯研究和产业化进步飞速，然而石墨烯产业化仍然面临诸多挑战和问题。
理想的石墨烯材料拥有诸多优良的电学、力学和光学特性, 可谓是超级材料。但是, 实验室获得的石墨烯材料远非如此, 无论是粉体石墨烯还是薄膜石墨烯, 有很多缺陷、晶界甚至杂质。
因此，高性能石墨烯的制备技术极为重要, 决定着石墨烯材料的未来。
石墨烯及石墨烯衍生物 （石墨烯纳米片，氧化石墨烯，CVD石墨烯薄膜，碳化硅外延生长石墨烯）
解决了实验室中的高性能石墨烯制备难题，接下来就要发展面向石墨烯产业化应用的制备技术。规模化制备不能是实验室制备技术的简单放大，对制备技术的可重复性、安全性和成本等都提出了更高的要求。
目前看来，尽管现有制备技术能够在产能上实现石墨烯的粉体和薄膜的宏量化制备，但不同的石墨烯产品的生长工艺、原材料、设备甚至生产批次，都可能导致得到的产品质量和性能参差不齐，几乎难以达到统一的标准。
因此，石墨烯产业当前面临着两个问题：一个是石墨烯的制备本身，需要从制备出发解决石墨烯制备的可控性问题，同时提高石墨烯的质量。另一个是石墨烯的标准化问题，目前宏量生产的石墨烯产品的等级规格各异，标号规则不一。
石墨烯产业只有努力扎根于材料制备，解决高品质材料的规模化制备问题，才有美好的应用未来。
放眼未来，制备决定明天
近十年来，北京大学刘忠范课题组和彭海琳课题组在石墨烯的化学气相沉积（CVD）制备及应用取得了一系列重要进展。
图：石墨烯单晶制备技术路线
针对高品质石墨烯薄膜的CVD制备，课题组发展了多种石墨烯CVD生长方法，对其畴区尺寸、层数、洁净度、掺杂和生长速度进行了精确调控。
率先实现了4英寸无褶皱石墨烯单晶晶圆、大面积超洁净石墨烯薄膜的制备、石墨烯薄膜连续批量制备和绿色无损转移，并研制了超级石墨烯玻璃和石墨烯基LED器件。
这一系列创新性研究成果有助于突破高品质石墨烯薄膜的制备技术瓶颈及探索其高端应用技术，将促使石墨烯薄膜材料和产业实现理性和良性可持续发展。
熨平石墨烯的“褶皱”
石墨烯单晶晶圆是高性能电子器件和光电子器件领域应用的材料基础，在高性能器件领域有重要的应用前景，市场规模巨大，未来行业产值预计可高达千亿元量级。
图：石墨烯单晶晶圆的应用领域
北京大学在这一领域也获得了出色的成就，全球首创超平整石墨烯单晶晶圆制备技术，在4英寸蓝宝石晶圆上制备了超平整无褶皱石墨烯单晶，与半导体工业技术兼容。
自主研发的石墨烯单晶晶圆的制备装备，建立了石墨烯单晶晶圆的稳定生产工艺，成功研发了6英寸石墨烯单晶晶圆。
石墨烯的“进阶“之旅
综述文章指出，石墨烯市场亟需标准化。石墨烯标号规则应涉及石墨烯的基本结构（晶畴尺寸、层数、平整度、纯度、掺杂度等）和内禀性质（迁移率、电导率、透光率、功函数、热导率等）等。
除了材料制备方面的努力，未来石墨烯产业发展的另一推动力将是石墨烯的“杀手锏”的应用。
尽管在某些方面石墨烯表现出优异的性能，但是由于目前不成熟的材料制备工艺和居高不下的价格，石墨烯替代原有的主流材料还需要很长的时间，在某些应用领域，石墨烯是自成材料，是一种独立的替代型材料。
同时，当前材料制备和应用探索的努力方向是材料的一体化。即石墨烯与其他材料复合，利用石墨烯的附加功能，实现功能的一体化，这也是通向石墨烯“杀手锏”级应用的途径之一。
以石墨烯玻璃为例，利用高温CVD方法在玻璃表面直接生长石墨烯，将导电的石墨烯与传统的玻璃材料复合，得到了一种高导电率、高热导率和高透光率的新材料。石墨烯玻璃可能用于现代家居生活中的智能窗。
其他的可能的“杀手锏”级应用也包括石墨烯作为表面外延衬底与III-V族半导体光电材料复合、作为透过膜用于海水淡化和同位素分离、以及石墨烯在红外探测和太赫兹领域的应用。
图：可能的石墨烯产品“杀手锏”级应用领域
参考另一类战略性碳材料——碳纤维的产业发展历程可知，材料的品质决定了其应用前途。最初研发的碳纤维只能用于钓鱼竿等，而今高端碳纤维材料在航天航空领域占据不可替代的位置，这正是碳纤维的规模化制备技术和材料品质的不断提升，推动了碳纤维在高端领域的广泛应用。
从石墨烯的发现至今才十多年，这说明石墨烯还有很多可以提升和努力的空间，也告诉我们石墨烯的产业化不是一朝一夕可以实现的。
制备决定未来，只有在石墨烯制备上不断精进，才会迎来石墨烯产业的朝阳时代。
背景链接
北京大学化学与分子工程学院刘忠范教授和彭海琳教授为该综述文章的通讯作者，第一作者为林立博士。
该系列工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研究计划、北京市科委项目的大力支持。
来源：北京大学化学与分子工程学院
编辑：黄圣勋、高翘楚
排版：文婧
责编：以栖