0
石墨烯材料前景广阔，必将掀起21世纪产业革命
史上最薄的材料
一片石墨烯能够承受相当于一头大象的重量。计算结果显示，一头大象需要站在铅笔的末端，才能凭借体重刺破石墨烯片。除了强度极高外，石墨烯也拥有惊人的柔软性，可在不出现破损的情况下伸展20%。此外，这种材料的导电性也远远高于铜(通常用于生产电线)，同时也是地球上导热性能最高的材料。
石墨烯由石墨制成，后者是一种灰色矿物，储量极高，主要产自智利、印度和加拿大等国。铅笔芯由数百万层石墨烯构成。这些层松散地结合在一起，这也就是为什么铅笔划过纸面时，石墨烯会脱落。2004年，康斯坦丁-诺沃肖罗夫教授和安德鲁-盖姆教授首次分离出石墨烯。他们利用胶带剥离石墨上的薄层，而后将其放在硅片上并借助显微镜进行观察以进行确认。
诺沃肖罗夫教授出生于俄罗斯，现年37岁。他认为石墨烯能够让从电子学到电脑的一系列领域发生革命性改变。他说：“我不认为石墨烯的潜力被夸大。凭借简单的结构——可能是世界上最薄的物质——以及大量独特的特性，这种新材料吸引了很多人的目光。石墨烯拥有数百种独一无二的特性，优于其他材料。由于只有一个原子那么厚，这种材料透明度极高。具有导电性能的透明材料并不多。”
英国抓紧研究 成为材料学界焦点
石墨烯的发现轰动了材料学界，随后便成为研究焦点。2010年，有关石墨烯特性的研究论文多达3000篇，专利申请400项。电子业相信石墨烯将让包括iPhone和Kindle在内的电子产品的制造发生革命性改变。现代触摸屏采用氧化铟锡，这是一种可以导电的透明材料，造价昂贵。此外，使用这种材料制造的屏幕很容易摔裂或者摔碎。用基于石墨烯的化合物取代氧化铟锡允许制造柔软的薄如纸的电脑和电视屏幕。韩国研究人员使用石墨烯制造出25英寸 (约合63.5厘米)可弯曲触摸屏。
如果使用石墨烯作为原材料，电子报纸的面貌将发生彻底改变。我们不妨想象一下，轻触电子报纸角落里的按钮，更新内容或者移到下一页，看完之后将其折叠起来，第二天再打开，继续浏览自己关注的内容。其他一些研究人员将目光投向石墨烯的医学用途。此外，这种新材料也可用于取代碳纤维船身和自行车车身。石墨烯制造的轮胎强度也要超过普通轮胎。一些研究人员表示石墨烯甚至可以取代硅，用于制造电脑芯片。未来，一张石墨烯信用卡存储的信息量可相当于今天的电脑。
0
“20世纪是硅的世纪,21世纪将是碳的世纪”。
石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，将在现代电子科技领域引发一轮革命，在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新能源、新材料等新兴领域都将带来革命性的技术进步。
石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料，尤其适合于高频电路，可生产未来的超级计算机，石墨烯光子传感器用于检测光纤中携带的信息，同时石墨烯的透明特性，使其制造的电板具有更优良的透光性，可用于太阳能电池盒液晶显示屏。石墨烯还可以应用于晶体管和基因测序等领域，用来制造出超薄超轻型飞机材料、超坚韧防弹衣，用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管和传统金属石墨电极,使之更易于回收。
作为硅的替代品，石墨烯可替代晶硅应用在将芯片领域。全球每年半导体晶硅的需求量在2500吨左右，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成电路，市场容量至少在5000亿元以上。石墨烯制成的锂离子电池负极材料能够大幅提高电池性能。全球每年负极材料的需求量在2.5万吨以上，并保持20%以上增长，石墨烯作为负极材料应用在十分之一的锂离子电池中，其需求量也在250吨以上。石墨烯可以制成的超级电容器，2010年全球超级电容市场规模在50亿美元，并保持着20%的增长率。石墨烯可以替代作为导电材料制成显示器件，2011年全球ITO导电玻璃的需求量在8500-9500万片，石墨烯的替代空间巨大。
0
新型石墨烯晶体管实现高开关比率
2013年01月24日 07:23
来源：科技日报
据物理学家组织网1月23日（北京时间）报道，英国曼彻斯特大学的科研人员设计出一种新型石墨烯晶体管，在其中电子可借助隧穿和热离子效应，同时从上方和下方穿越障碍，并在室温下展现出高达1×106的开关比率。
石墨烯晶体管获得较高的开关比率一直难以实现，而有了高开关比，以及其在柔性、透明基板上的操作能力，新型晶体管能够在后CMOS设备时代占有一席之地，并有望达到更快的计算速度。相关研究发表在近期出版的《自然·纳米技术》杂志上。
石墨烯晶体管多具有三明治结构，以原子厚度的石墨烯作为外层，而以其他超薄材料作为中间夹层。这些中间层可以囊括多种不同材料。在此次的研究中，科学家使用二硫化钨（WS2）作为中间层，其能够作为两个石墨烯夹层之间原子厚度的壁垒。与其他壁垒材料相比，二硫化钨的最大优势在于，电子可借助热离子运输方式从上方越过障碍，也可利用隧穿效应从下方穿过障碍。处于关闭状态时，极少电子能借助上述方式穿越障碍，但当调至开启状态时，电子既能选用一种方式逾越壁垒，亦能同时选择两种方式以实现类似效果。
开关间切换将改变晶体管的栅电压。负栅电压将形成关闭状态，因为其将增加隧穿障碍高度，因此几乎没有电子能够越过壁垒。而正栅电压能通过降低隧穿障碍的高度使晶体管转换至开启状态。同时，如果温度足够高，亦可借助热离子电流从上方越过壁垒。在低电压和低温的情况下，隧穿电流与电压呈线性关联。但当处于高压下时，隧穿电流会随电压呈现指数增长，此时热离子电流就会成为主要的传输机制。
利用上述特质和二硫化钨壁垒材料，新晶体管成为目前性能最佳的石墨烯晶体管之一。此外，由于仅具有几个原子层的厚度，新型晶体管能够耐受弯曲，未来更有望应用于柔性、透明电子设备的制造，成为后CMOS设备时代的有力备选。（记者 张巍巍）
总编辑圈点
人人都说电子领域里，石墨烯是硅的接班人，但想要进入实际应用的石墨烯，还需大幅提高其开关比。某种角度来看，这似乎不是个难事——电子在石墨烯中的移动速度本来就比硅快，即使不优化设计，石墨烯晶体管的速度也是硅的两倍还多。但在工艺和技术上，却远没那么轻松，不存在能隙的石墨烯晶体管一直以来都只有很小的开关比。亦因此，曼彻斯特大学此次实现的高开关比更显意义非常，尽管其性能或许离人们的预想值还有段距离，但正以井喷势头提升的数字，昭示着一个石墨烯器件时代，为期不远。
0
国内首片15英寸单层石墨烯在渝问世
本报讯 (记者 张亦筑)你想用上屏幕可以来回弯曲折叠的手机吗?采用石墨烯材料,就可能变成现实。采用可折叠屏幕后,即使手机屏变得更大了,但携带起来还是很方便。1月22日,记者从中科院重庆绿色智能技术研究院(简称中科院重庆研究院)了解到,该院已经成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,这样的大尺寸,达到了国内最高水平。它或将为我们的手机、电脑等电子产品带来一场革命。
世界上最薄的纳米材料,透光性好,能折叠
据介绍,石墨烯是由碳原子组成的单原子层平面薄膜,可以作为制备新型触摸屏的核心部分――透明电极的材料。
与现有手机触摸屏材料相比,石墨烯优点更多,被认为是目前世界上最薄、几乎完全透光、强度也最大的材料。
它究竟薄到哪种程度?中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞解释,石墨烯只有0.34纳米厚,粗略估计一下,一根头发丝的直径,大概等于十万层石墨烯叠加起来的厚度,所以用肉眼是看不见它的。它自身只吸收约2.3%的光,能够做到几乎完全透光,让触摸屏亮度更好,同时,还能保证很高的电导率,这对于过去那些触摸屏材料来说,是难以同时解决的。“过去认为钻石热导率最高,但是石墨烯是它的2倍。”
值得一提的是,石墨烯还具备很好的柔性,也即是说,它在一定程度上可以弯曲折叠,不会对屏幕造成损害。
“从这些优点来看,石墨烯特别适合在电子信息产业中应用。像IBM、三星这些大企业,都相当关注它的发展。”史浩飞说。
成功制备7英寸的石墨烯触摸屏
据悉,自2004年被发现以来,如何解决大面积、高质量石墨烯制备和快速高效转移两大关键问题,让石墨烯应用于透明电极中,一直困扰着很多研究者。
“如果电阻触摸屏要采用这种材料,需要先在金属表面上催化生长石墨烯,再把它转移到适合的基底上,才能进行应用。”史浩飞告诉记者,这就相当于在一个足球场上铺一层薄薄的保鲜膜,要让它平平整整且完好无损,难度特别大。
据介绍,通过“石墨烯透明电极关键技术”研究,他们采用工业原料如塑料、液态苯等作为有效碳源,在300℃的低温下生长出高质量的石墨烯。
目前,中科院重庆研究院已经在铜箔衬底上生长出15英寸的均匀单层石墨烯,并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底表面,并且通过进一步应用,还制备出了7英寸的石墨烯触摸屏。
在中科院重庆研究院的实验室里,记者看到,研究人员将石墨烯触摸屏贴在一台普通笔记本电脑的显示屏上,调试完毕后,用手写笔就能轻松地在屏幕上写字。
力争一年内实现产业化,年产量达上百万片
如果用石墨烯透明电极替代目前市场上应用最广的ITO透明电极等产品,其成本和价格会不会很高?
史浩飞介绍,由于自然界碳元素含量丰富,不需要像其他透明电极一样用到稀有金属、贵金属等,所以原材料成本更低。如果实现了批量化生产,其价格会很有竞争力,甚至比现有产品更便宜。
据了解,2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片,产值将超过130亿美元。到2015年,平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片。这为石墨烯的应用提供了广阔的市场。
目前,中科院重庆研究院正在与广东地区的风投机构商谈,力争让石墨烯在一年内实现量产。届时,其年产量预计将达到上百万片。
他表示,石墨烯的应用,将给我们的手机、平板电脑带来较大的变化。“如果手机、平板电脑上的其他部件和材料也得到相应改进,也许未来5-10年,手机、电脑的显示屏就可以真正实现可折叠。”
0
美开发出仅原子大小石墨烯传感器
据物理学家组织网报道，美国航空航天局（NASA）开发出只有原子大小的基于石墨烯材质的微型传感器，用以检测地球高空大气层的微量元素，以及航天器上的结构性缺陷。
NASA戈达德太空飞行中心技术专家苏丹娜说，两年前其研究团队就开始以石墨烯为基础研究开发制造纳米大小的探测器，以探测大气层上空的原子氧和其他微量元素，从飞机机翼到航天器总线一切的结构性压力。该中心机械系统分部首席助理杰夫·斯图尔特说：“石墨烯最酷的是其自身属性，这为研究提供了大量的可能性。坦率地说，我们才刚刚开始。”
一年多以前，苏丹娜的团队开始研发基于化学气相沉积（CVD）技术的石墨烯设备。他们在一个真空室中放置一个金属基体并注入气体，生成所需的薄膜。现在，该团队已可以成功地生产出高品质的石墨烯片。苏丹娜说：“这种材料最有前景的应用之一是作为一种化学传感器。”
现在，该研究团队开发出小型化、低质量、低功耗石墨烯传感器，可以测量大气层上空中的氧原子量。而大气层上空中的氧原子量来自于太阳紫外线辐射分解氧分子时所创建，其生成的相关元素具有高度腐蚀性。当卫星飞过大气层上空，会受到这种化学物质以每秒约5英里（约8公里）的时速攻击，从而严重破坏航天器的常用材料，如聚酰亚胺薄膜。
虽然科学家们相信氧原子组成了低地球轨道上稀薄大气层的96%，但是在测量其密度和更准确地确定其在大气阻力中的作用时发现，其可能导致轨道航天器过早地失去高度降至地球。研究人员说：“我们仍然不知道氧原子在航天器上创建的拖曳力的影响；不知道原子与航天器之间转移的动量是多少，而这是很重要的，因为工程师可根据这种影响来评估航天器的寿命，以及飞船在重新回到地球大气层之前会飞多长时间。”
苏丹娜表示，石墨烯传感器对此提供了一个很好的解决方案。当石墨烯吸收氧原子，材料的电阻会产生变化，石墨烯传感器可迅速测量出一个更精确的密度。“这真令人兴奋，我们希望可以计算频率阻值的变化，简化测量氧原子的操作步骤。”
苏丹娜说，这种化学传感器不只可以测量氧原子，也可测量甲烷、一氧化碳和其他行星的气体，以及从行星内部释出的气态物质。
0
氧化石墨烯可快速清除水中放射性物质
来源：科技日报 2013-01-20
据物理学家组织网报道，美国莱斯大学和俄罗斯莫斯科国立罗蒙诺索夫大学的研究人员发现，氧化石墨烯具有非凡的吸附能力，能够快速除去污染水体中的放射性物质。相关研究报告发表在近期出版的英国皇家化学学会《物理化学·化学物理学》杂志上。
科学家确定，原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速地吸附在天然和人造的放射性核素上，并凝结成固体。这种薄片能够溶于液体之中，也能轻易地大批量生产。氧化石墨烯会在导入模拟核废物的数分钟内凝固，迅速聚集最致命的毒素废物，这一过程也将跨越多个pH值。
在此项研究中，研究人员主要致力于去除锕系元素和镧系元素等放射性同位素。也就是从液体中而非固体或气体中除去元素周期表中的30个稀土元素。虽然这些同位素并不亲水，但却可以隐匿于水中。而从人类健康和环境保护角度来看，这可谓是它们最不受欢迎的聚集地。
事实上，天然生成的放射性核素也不怎么受欢迎，因为压裂流体会在钻井过程中将它们带到表层。当地下水也从钻井中流出，且放射性元素超过一定水平时，就会因高温而不能再输送回土壤中。此时就需要将受污染的水体运送至其他地方进行储存和处理，随之而来的则是大笔的开销。而使用氧化石墨烯能快速过滤放射性污染物，显著降低水力压裂法等油气回收方式的成本，对清理福岛核电站等区域的污染水源大有裨益。此外，采矿业也将收获潜在的利益。基于对环境的担忧，美国之前基本中断了稀土金属的开采，而其对于手机制造而言十分重要。
虽然氧化石墨烯的较大表面积决定了其吸附毒素的能力很强，但吸收速度之快仍出乎科研人员所料。这一速度具体由污染物的构成所决定。对此，科学家以包含铀和钚的模拟核废物以及钠和钙等可负面影响氧化石墨烯吸收效应的物质进行了测试。即使如此，氧化石墨烯也被证明效用要明显优于膨润土和活性炭等常用的核清理剂。
研究人员还强调，捕获放射性核素并不会减弱它们的放射性，而是使其更易被处理。以福岛核电站附近的区域为例，可通过将氧化石墨烯添加到以离子状态存在的放射性物质溶液中，得到固体的核物质，并对其进行焚烧。在此过程中，氧化石墨烯会快速燃烧，仅剩下块状的放射性物质，便于重复利用。而低成本和可生物降解的特质也使氧化石墨烯成为了渗透性反应墙技术的合适之选，这对于原位地下水的修复而言具有相当的意义。
0
新型锂—空气电池关键材料及电池组研究获进展
国家自然科学基金委、科技部和中科院等的大力支持下，中国科学院长春应化所张新波研究员带领的科研团队通过抑制锂—空气电池电解液分解，调控空气电极固—液—气三相界面以及优化锂—空二次电池体系与结构，成功将锂—空气电池循环寿命从目前文献报道的最长100次大幅提高至500次。
针对目前锂—空气电池用电解液在电池反应中均有不同程度的分解，造成不可逆产物的生成和自身的消耗，严重限制电池循环寿命的难题，该团队基于对现有电解液分解机理的认识，首次将亚砜(DMSO)和砜(TMS)应用于锂—空气二次电池中，有效促进了可逆放电产物过氧化锂（Li2O2）的生成，减少了副反应；通过详细考察空气电极对锂—空气电池性能的影响，发现空气电极催化剂催化效率低、用于过氧化锂等不溶放电产物存储和反应物传输的孔道结构不合理、导电性差是制约锂—空电池性能的关键因素。基于此，该团队首次提出了石墨烯一体化空气电极的概念，成功地在泡沫镍基体中构筑了三维多孔石墨烯。泡沫镍所具有的高导电性，结合多孔石墨烯合适的孔道结构，使得所制备的锂—空气电池表现出优异的倍率性能；此外，通过借助和发挥稀土钙钛石型复合氧化物优异的电催化性能，有效降低了锂—空气电池充/放电过电位，进一步提高了能量转化效率和倍率性能。
在以上研究成果的基础上，还首次设计和开发出可实用化、拥有自主知识产权的锂—空气二次电池电池组。
0
石墨烯“进军”太阳能电池
近日，美国麻省理工学院的研究人员研制出一种在柔性石墨烯片上涂覆纳米线的新方法。这种方法可以生产出低成本、透明以及柔韧性佳的太阳能电池，能够在窗户、屋顶以及其他物体的表面使用。
这项最新研究成果发表在近期的《纳米快报》杂志上，共同撰写者包括麻省理工学院博士后朴慧星和张胜根（音译），材料科学与工程专业副教授塞尔维洁。格瑞特克，以及其他8位来自麻省理工学院的研究人员。
目前大多数太阳能电池由硅制成，由于硅需要高度纯化后再制成晶体并切成薄片，导致价格一直比较昂贵。许多研究人员都在探讨硅的替代品，如纳米结构或者混合太阳能电池，而铟锡氧化物（ITO）是这些新型太阳能电池使用的一种透明电极。
格瑞特克说：“目前，ITO是透明电极材料的首选，如在触摸屏幕智能手机上使用。但是该化合物中铟的价格高昂，而石墨烯则由无处不在、价格低廉的碳所组成。”
格瑞特克表示，石墨烯可能是替代ITO的新材料。除了成本较低外，它还有诸如柔韧性佳、重量轻、机械强度与化学稳定性高等优点。
由于石墨的稳定性和惰性结构，要直接在纯净石墨烯的表面构建半导体纳米结构而又不影响其电性能和结构，具有较高的挑战性。因此格瑞特克及其团队使用了一系列聚合物涂层来改变石墨烯的属性，使其能够粘合氧化锌纳米线层，然后再覆盖上响应光波的硫化物量子点或者一种被称为P3HT的材料聚合物。
格瑞特克说：“尽管进行了修改，但是石墨烯的先天属性仍然保持不变，是一种有着显著优势的复合材料。”
麻省理工学院的团队已经证实，电极分别基于石墨烯与ITO的设备在效率方面具有可比性。在覆盖硫化物量子点的情况下，虽然石墨烯的功率转换效率比通用的硅电池低4.2%，但今后在特殊用途中将具有竞争力。
此外，研究报告的第一作者、麻省理工学院材料科学与工程学系博士后张胜根表示，不同于其他温度一直持续升高的半导体，涂层氧化锌纳米线的石墨电极完全可以将温度控制在175摄氏度以下。
0
日本开发出石墨烯量产技术
来源：技术在线
日本东北大学多元物质科学研究所与昭和电工宣布，双方共同开发出了量产优质石墨烯片的技术。这意味着在利用石墨烯作为汽车的电池材料及轻量高强度结构材料方面迈出了重要一步。
石墨烯是以1个原子的厚度从作为碳材料的石墨中剥离制得的材料。除了作为晶体管等电子部件外，作为电池的材料及结构材料也备受关注。然而， 石墨烯的现有制造方法大多生产速度非常慢，而且很难实现缺陷及杂质少的优质石墨烯的量产。比如，作为化学剥离法之一的“氧化剥离法”，虽然可通过将石墨粉 末氧化末并在溶剂中剥离、然后再实施还原来获得石墨烯片，但一次处理需要花费1天以上的时间，而且还存在缺陷及杂质多的问题。
而此次开发的方法利用乙醇等有机溶剂的超临界液体来剥离石墨烯。日本东北大学教授本间格介绍说，由于不进行氧化处理，因此“几乎没有氧及氢 等杂质”。而且，此次还开发出了可连续剥离石墨烯的“流动反应器”。对于5g原料，一次剥离处理的时间仅为1小时左右。
不过，一次处理的话单层石墨烯的收获率只有10％左右。东北大学和昭和电工为了解决这一问题，还开发出了使剥离处理的工序呈循环状，并在400℃温度下反复处理的方法。这样便可提高单层石墨烯的收获率。具体而言，12次反复处理时收获率可提高至30％以上，48次反复处理时收获率可提高至80％以上。48次反复处理时，虽然每小时的处理量会下降至100mg原料左右，但生产效率仍比氧化剥离法高。
获得的石墨烯品质方面，本间教授介绍称，“经拉曼光谱D-band和G-band的检测证实，48次反复处理获得的石墨烯显示出了优良的品质”。不过，载流子迁移率未测定。而且，石墨烯的粒径也未公开。
昭和电工今后将为实现业务运作进一步验证可提高量产效率的技术。
0
石墨烯等离子超介质可使药检达单分子水平
摘自中国科技网
为了测试该设备，研究人员给一种等离子超介质涂了一层石墨烯，然后将氢气导入石墨烯上面，利用可逆的石墨烯氢化反应来测试其灵敏度。格里乔科说，奇点光学是一门新兴学科，研究的是光在超常相位的性质，他们的成果显示了这一学科在实际应用方面的巨大价值。
登录用户ID：
5
评论(102)
收藏
展开
