石墨烯：遥远而清晰的未来

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科技日报  2010 年 10 月 18 日　星期 一

何闻

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　　电子显微镜观测下的石墨烯单层碳原子结构
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　　石墨烯是人类已知强度最高的物质。它不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实
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　　如若不是因为今年的诺贝尔物理奖，也许大部分的人根本不会想到，自己从小就使用的那一根根默默无闻的铅笔里，会隐藏着石墨烯这样的当红“明星”。而取代硅成为未来电子材料的主力，这是诺奖授予石墨烯的最大理由。那么这种既熟悉又陌生的材料，真有这么神奇么？
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: p/ [" j4 t& @# z　　从平民到贵族的迁跃

1 ?7 u, o! M* R' a* c" L' h　　石墨烯不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。

* s% G! T- k  v7 s& T" R6 {4 S　　2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等靠着胶带这样的简单设备制备出了石墨烯。6年以后，他与另一位合作者因此获得了全球科学界的最高奖项诺贝尔奖。仿佛一夜之间，石墨烯如登上春晚的小沈阳一样，瞬间从默默无闻红遍天南地北。
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* L6 {: o: a2 {( I$ y& m, J# S* w　　“我们在用铅笔写字，笔在纸表面留下颜色时，在不知不觉中就产生了石墨烯。”在浙江大学物理系副主任、博士生导师何丕模教授看来，石墨烯其实就是这么通俗的事物。

. F$ H5 E, }8 d- {! E" z" @9 ]* I　　石墨在大自然中非常普遍，而石墨烯是人类已知强度最高的物质。它不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。

- i0 X' G- r4 U% t) U- I　　而最让科学界为石墨烯兴奋的，则是它在未来代替硅成为半导体材料的巨大潜力。

　　除了异常牢固外，石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料。“石墨烯中电子的速度只比光速小300倍，导电性好于金属铜，而每平方米的重量只有0.77毫克……”何丕模说。由于碳原子间的作用力很强，因此即使经过多次的剥离，石墨烯的晶体结构依然相当完整，这就保证了电子能在石墨烯平面上畅通无阻的迁移，其迁移速率为传统半导体硅材料的数十至上百倍。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。
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　　据悉，科学家们已经研制出了石墨烯晶体管的原型，并且乐观地预计不久就会出现全由石墨烯构成的全碳电路，并广泛应用于人们的日常生活中。
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　　前景几何系于瓶颈的突破

, x: N8 Q7 i+ d; s5 r5 b　　“石墨烯要真正大规模应用，还有很多的困难，需要走过相当长的科研之路。”

8 \2 ]* p7 e# U( v% ]. e8 d　　尽管诺奖获得者用非常简易的手段便提取到了石墨烯，但这种新兴材料要想真正实现广泛的应用，绝然不是易事。其前提是必须先解决宏量、可控制备的技术问题。如何制备结构精确可控的石墨烯，是打破其应用瓶颈的关键。
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8 }4 C5 P# X- J. E' u* B& P　　“石墨烯要真正大规模应用，还有很多的困难，需要走过相当长的科研之路。”南京大学物理学院国家杰出青年基金获得者、教育部长江特聘教授王伯根表示，首先，目前石墨烯的面积还不能做得很大，一旦做大，很容易使得表面坑坑洼洼，很难达到严格的二维。
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6 S2 D7 f# F, E! M4 J1 ]% R  P　　另外，各种制备方法都可能使原本应该是标准六边形的石墨烯丢失碳原子，形成有缺陷的石墨烯。因此，如果大规模应用石墨烯，必定要先解决这两个难题，一个就是如何将石墨烯面积做大，另一个就是将石墨烯制作得形状完美、毫无杂质。

　　目前，我国的科研人员已经在石墨烯领域开展积极探索，并取得了一定的进展。中科院金属所的专家组利用电泳沉积方法，已经制备出表面均匀致密的单层石墨烯薄膜。这种石墨烯薄膜具有优良的场发射特性、低开启电场和阈值、良好的场发射稳定性和均匀性。而中科院化学所的王朝晖研究员正考虑用化学合成法制备石墨烯, 从而解决高质量石墨烯的可控制备、石墨烯结构和物性的调控以及石墨烯材料的应用研究等多个关键问题。
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2 Z( h6 |5 ?: Z$ R　　“作为近几年飞速发展起来的一种碳纳米材料，石墨烯的研究才刚刚起步，有大量的科学问题等待我们去研究。这是一个创新空间很大的全新领域，更是一个前沿交叉领域，有待不同领域科学家的协同努力。”中科院化学所朱道本院士对我国石墨烯的应用研究前景充满了信心。
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2 m! M& M% c$ x; D, w　　初步走近人们的身边

　　尽管离广泛应用尚需时日，但石墨烯已经一步步走近我们的身边。

$ O( \5 ?: I8 q% \. y6 T　   当纳米这个概念进入人们的认识领域中时，碳纳米管的长度还不足1微米，而现在已经可以制造出几厘米长的纳米管。与之类似，尽管离广泛应用尚需时日，但石墨烯已经一步步走近我们的身边。西南科技大学材料科学与工程学院专家表示，基于石墨烯的电路或许要到2025年之后才会出现，在此之前硅电路还会占据主导地位，但前景无疑是乐观的，因为石墨烯片的边缘尺寸基本没有限制。
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　　凭借其很高的导电性和透光性，石墨烯还可用于透明电极、触摸屏、液晶显示等领域。美国斯坦福大学的研究结果显示，石墨烯可以提供成本更低、更薄、速度更快的替代方案，与传统材料相比，石墨烯的电子迁移率较高，能把电极做得更薄、更透明，导电性也更好。这些优势大大有利于超薄柔性LED显示器的开发。据了解，韩国三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。 　　

　　值得一提的是，全球首家市场化的石墨烯新材料公司——泰州巨纳新能源有限公司，日前正式落户泰州市高新技术创业服务中心，从事石墨烯的研发制备和应用制造。

　　■ 科技词典

　　石墨烯

6 ^$ I( w$ p, D2 u* x+ s　　石墨烯是目前已知材料中最薄的一种，非常牢固坚硬。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。

　　石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

8 v: p5 A+ [) j! h. K: Q　　这些独一无二的特性，使得石墨烯在微电子领域具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。