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石墨烯应用范围广 各国政府和产业巨头纷纷布局

2015-10-29 15:18
Hsiao Chen
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   日前,中国国家主席习近平在访问英国时参观了曼彻斯特大学国家石墨烯研究院。一时间,石墨烯又成了各界关注的焦点。当然,在产业层面来看,这并不是习近平第一次关注石墨烯。早在2014年年底,习近平在南京考察江苏省产业技术研究院时,就曾详细了解石墨烯的产品性能、市场应用和产业前景。

  那么,到底什么是石墨烯呢?事实上,石墨烯是一种只有一个碳原子厚的二维材料,其碳原子排列与石墨的单原子层相同。这种材料由英国曼切斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2004年从石墨中成功分离。

  由于石墨烯在散热、导电、透光等方面性能优良,并且韧性好、结构稳定,所以自发现以来得到了快速发展,其产业形态基本形成。有分析认为,到2020年全球石墨烯产业产值有望达到2.78亿美元,这显示其市场前景十分广阔。

  各国政府和产业巨头纷纷布局

  近年来,与石墨烯相关的研究和产业化正在持续升温。

  欧盟委员会在2013年将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一,该项目的研究范围十分广泛,其中石墨烯的制备是核心;韩国政府则投入研发费用14亿美元,把石墨烯材料及产品定为未来革新产业之一;从2006年开始,美国国家自然科学基金资助的石墨烯相关项目达到两百多项;而日本学术振兴机构也从2007年起开始对石墨烯相关材料、器件技术进行资助。

  在新兴材料和未来技术的开发上,中国自然也不愿落后,国内以北京大学、清华大学、浙江大学、中国科学院等为代表的高校和科研单位也对石墨烯开展了大量的基础研究和应用研发,并获得了不错的成果。

  在各国政府纷纷重视和关注石墨烯的同时,企业也积极投入到石墨烯的研发和产业化竞争中。英特尔、IBM、三星、苹果、索尼等国际知名厂商都在积极介入石墨烯的研究和开发,有些甚至取得了不错的成绩。而国内企业华为也在快速布局石墨烯产业,在国家主席习近平访问英国期间,华为宣布将在曼彻斯特大学投资数百万英镑共同探索石墨烯的商业应用。

  从目前来看,石墨烯作为一个新兴行业,世界各国的起步时间基本相同,因此大家都在同一起跑线竞争。但由于在高端实验设备、精密仪器等环节较为薄弱,所以中国在石墨烯高端应用领域的研究和开发还需加快脚步。

  石墨烯在半导体领域的应用

  作为新兴材料,石墨烯能广泛应用于燃料电池、材料改性、防锈防滑、海水淡化、军事工业等多个领域,这已经是业界共识。事实上,由于在已知材料中电阻率最小、导热系数最高,所以石墨烯被认为是最理想的电极和半导体材料,其最佳、最具潜力的应用是成为“硅”的替代品,用来制造超微型晶体管,生产未来的超级计算机。

  众所周知,过去几十年,硅几乎是制造芯片的唯一选择,以硅为材料的各类型芯片在制程工艺上快要达到了物理极限(7纳米),这极大的限制了各类计算芯片处理性能的提升。然而,科技永远是在进步的,石墨烯的问世或许能有效的解决硅基材料的物理极限问题。那么,石墨烯在电极和半导体领域究竟能做哪些事情呢?

  1、光电半导体产品。以其非常好的透光性、导电性和可弯曲性,在触摸屏、可穿戴设备、OLED等领域中发挥作用。这也是目前公认最可能首先实现商业化的领域。

  2、制造传感器。石墨烯因其独特的二维结构,且具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间短等特点,能提升传感器的各项性能。随着物联网和和可穿戴技术的不断发展,未来对传感器的需求将会越来越高,相信石墨烯能够扮演不错的角色。

  3、微电子器件。由于物理极限的限制,石墨烯在未来的晶圆、计算芯片以及各类型的微电子器件中都能担当大任,并发挥其独特的性能。

  目前,不少研究机构和企业已经开始将石墨烯技术应用到半导体领域了。诸如,新加坡南洋理工大学开发的敏感度是普通传感器1000倍的石墨烯光传感器;美国哥伦比亚大学研发出的石墨烯-硅光电混合芯片;IBM研究人员开发出的石墨烯场效应晶体管等等,都为石墨烯在半导体领域的应用指明了方向。

  当然,随着技术的不断成熟和进步,石墨烯在半导体领域的应用形态和方式还会有很多。虽然石墨烯大规模产业化应用还没开始,但在各国政府和企业大量资金、人力、物力的投入下,相信已经不远了。

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