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改变产业格局:石墨烯材料有望重大突破

导读: 石墨烯是由单层碳原子构成的六角形蜂巢晶格的平面二维材料,结构稳定,各项物理性质优异。石墨烯的发现颠覆了凝聚态物理学界既往的二维材料不能在有限温度下存在的观念。

  石墨烯是由单层碳原子构成的六角形蜂巢晶格的平面二维材料,结构稳定,各项物理性质优异。石墨烯的发现颠覆了凝聚态物理学界既往的二维材料不能在有限温度下存在的观念。

  石墨烯具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质,是目前最薄也是最坚硬的纳米材料,同时具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能,未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用,是最有前景的先进材料之一。

  石墨烯材料分为两类,一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜,另一种是由多层石墨烯构成的微片。石墨烯薄膜又分为单晶薄膜和多晶薄膜。其中单晶薄膜可以用于集成电路等电子领域,但是产业化尚待时日。而多晶薄膜有望在5-10年内实现产业化应用,替代ITO玻璃用于制造触摸屏(特别是柔性制造屏)和其他需要透明电极的领域。除了纯石墨烯之外,另外还有很多石墨烯衍生物,未来也会有较为广泛的应用。

  总体而言,石墨烯应用领域将主要集中在电子、新能源、生物医疗、高精度制造业、水处理等高精尖技术领域。

  传感器方面,纳米传感器尺寸小、精度高。原子级别的传感器与普通传感器相比,具备多种独有的微观性质,显著拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器可广泛应用于生物、化学、机械、航空、军事等方面。纳米传感器主要包括纳米磁敏传感器、纳米生物传感器和纳米光纤传感器。纳米传感器尺寸主要取决于探针针头大小,传感器尺寸可显著减小,同时感应时间大大缩短,满足微观高精度测量需要。随着工业生产和环境监测的需要,纳米气敏传感器的研发获得了长足的进展,未来有望率先实现商业化应用。

  目前已经有用化学气相沉积法在分散有催化剂的SiO2/Si基片上制得的单个的单壁碳纳米管。此种碳纳米管使得传感器在复杂的气体环境中具有选择性,区分度和灵敏度较之传统的传感器显著提升。

  单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能,但是纳米管制备一直是难点。实现结构和性质可控的制备是单壁碳纳米管应用的基础和关键,同时也成为碳纳米管研究和应用发展的瓶颈。

  石墨烯良好的电导性能和透光性能,使其在透明电导电极方面有非常好的应用前景。试验证明,石墨烯比表面积高达2600平方米/克,导电性极高,且储能效率是现有材料的近两倍,是理想的电极材料。石墨烯在取代其他电极材料方面有广阔的应用前景,即便是目前商用超级电容器使用的活性炭等材料,比表面积也不过1000-1800平方米/克,石墨烯的电学综合性能显著超越当前的各种材料。

  传统电极材料多采用ITO(铟锡氧化物)。铟元素价格昂贵,且较为稀有。行业正在寻找一种成本更低的材料以替代ITO。石墨烯以其独有的导电透明性质成为备选材料。采用石墨烯制成的透明电极,不仅具备传统电极的导电特性,同时还可以弯曲折叠,在搭建过程中可与建筑构成一体化,更加经济和实用。透明导电电极不仅应用于太阳能领域,同时还可应用在触摸屏、液晶屏、发光LED和超级电容等多种光电领域。目前全球实验室将石墨烯电极应用至上述多类型产品,包括触摸屏和超级电容。若能成功商业化,未来有望改变电子行业制造格局。

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