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石墨烯的应用前景

作者:ihpa.net 发布时间:2017-10-11

  碳原子呈六角形网状键合的质料“石墨烯”具有许多精彩的电特性、热特性以及机器特性。详细来说,具有在室温下也高达20万cm2/Vs以上的载流子迁移率,以及远远高出铜的对大电流密度的耐烦。为此,石墨烯有望用于高速晶体管、触摸面板、太阳能电池用透明导电膜,以及本钱低于铜但与铜对比可通过大电流的电线等。

  别的,在今朝可以建造的片状质料中,石墨烯的厚度最薄、比外貌积也较大。并且,还具有高出金刚石的强度、弹性模数和导热率。假如没有缺陷的话,即即是单层石墨烯,也不会通过大于氦(He)原子的物质。这些性质可以使石墨烯作为电池的电极质料、散热膜、MEMS传感器,或是抱负的否决膜(Barrier Film)。

  与其他质料对比,石墨烯还拥有很多极为非凡的性质。譬喻,在室温下也可泛起量子霍尔效应;可实现名为“Klein Tunneling”的、透射率为100%的通道效应;电阻值为牢靠值而与间隔无关的“弹道输运”(Ballistic Transport)的有效间隔较长;凭据由石墨烯上的自由电子来描写中微子的方程式(韦尔方程,Weyl Equation),石墨烯可以像质量为零的粒子一样举动;并且,石墨烯具有被称为“赝自旋(Pseudospin)”和“赝磁场”的、宛如存在电子自旋和磁场的特性;石墨烯还拥有负折射率,等等。这些特性可以使石墨烯用于超高精度的气体传感器和应变传感器等。

  本系列将先容在实际应用中操作石墨烯的各类精彩性质或非凡性质的先端技能。

“触摸面板”最快于2012年面世

  相当于一层石墨的质料——石墨烯的研究开拓在全球范畴内正热火朝天地展开。仅2010年颁发的相关研究论文就高出了3000篇。个中中国科学院和新加坡国立大学(the National University of Singapore,NUS)在论文数量方面远远领先于其他研究机构。而理应在新质料开拓上占有必然优势的日本研究机构却处于苦战之中。

  在应用方面引领全球的国度是韩国。个中韩国三星电子已经颁发了多项应用石墨烯的触摸面板和高速晶体管等研究成就。

  三星今朝在产物化的竞争方面也处于领先职位。因石墨烯得到2010年诺贝尔物理学奖的研究人员康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)和安德烈·海姆(Andre Geim)曾在诺贝尔获奖演讲“Nobel Lecture”等上暗示三星已经拟定操作石墨烯的产物群开拓蓝图。开拓蓝图中的第一个研发方针就是把石墨烯用做透明导电膜的触摸面板。别的三星还打算于2012年推出配备有该石墨烯制触摸面板的便携终端。

  三星曾于2010年6月公布与韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University)配合建造出了30英寸(对角线约76cm)的石墨烯片。这一动静令全球震惊。这是因为实现数十cm对角线巨细的石墨烯片一直是人们的空想。此前制出的最大石墨烯片最大仅能到达对角线为数mm~1cm(韩国曾实现了数cm对角线巨细)。

相当于10平方公里巨细的食品保鲜膜

  这个庞大石墨烯片的建造要领在某种意义上雷同于诺沃肖洛夫所回收的利用粘着胶带的“机器式剥离法”。机器式剥离法是先把粘着胶带(最初利用了Scotch胶带,厥后利用的是日本的日东胶带)贴在石墨上,然后通过揭下胶带把石墨烯转印到胶带上。成均馆大学等开拓出的要领是回收卷对卷的方法把以CVD法制备于铜(Cu)箔上的石墨烯片转印到大型树脂片上。

  有很多研究人员和技能人员对这一要领持将信将疑立场。这是因为“假设石墨烯是厚度为10μm的食品用保鲜膜,回收这个要领就相当于要把10km见方的保险膜完好无损地粘贴下来”(某研究人员)。

  不外,假如我们不要求像晶体管一样的质量的话,在触摸面板用途中轻微的褶皱和破损大概并不会造成很大影响。或者可以嗣魅正是因为触摸面板需要满意的条件较低,才使得触摸面板成为首个开拓方针。

  虽然,在将石墨烯用于触摸面板用途方面还存在几个课题。一是导电性简直保和掺杂(Doping)的不变性。假如可以或许制备出完全没有缺陷的单层石墨烯片,那么光透过率将到达97%以上,险些呈透明状态,同时还可实现高柔性触摸面板。然而由于纯净石墨烯的载流子迁移率较高,但同时载流子密度却很是小,因此由两者乘积所抉择的导电率未必较高。为了办理这一问题,需要掺入提供电子和孔洞的杂质,也就是说需要举办掺杂加工。

  成均馆大学和三星等开拓出的庞大石墨烯片由于最初的掺杂物(Dopant)跟着时间的流逝会逐渐消失等,Cadmium selenide powder,因此导电率的不不变成为课题。这一课题将在此后的研究开拓中予以办理。

日本产综研等在制造要领开拓方面焕发直追

  在用于触摸面板的石墨烯开拓方面, Aluminum Diboride powder,日本财富技能综合研究所也正在试制A4尺寸巨细的石墨烯片和触摸面板。其最大利益在于与成均馆大学的要领对比可以或许在较低温度下制备出石墨烯片,可以或许回收卷对卷方法举办包罗CVD在内的全部工序。谁将率先实现触摸面板的投产?这一问题最快会在将来的1~2年内获得解答。

2013年将实现以500GHz频率事情的高速石墨烯晶体管和光学元件

  在通道层回收石墨烯的高速晶体管开拓方面最努力的企业之一是美国IBM公司。该公司曾于2008年开拓出了第一个石墨烯晶体管,并在2010年12月的国际学会“IEDM 2010”上宣布了栅长240nm、截至频率为230GHz的石墨烯FET等,在相关研发勾当中一直位于领先职位。

  不外,最近有不少竞争敌手正在焕发直追IBM。好比韩国三星尖端技能研究所(Samsung Advanced Institute of Technology,SAIT)。SAIT在IEDM 2010上宣布了截至频率为202GHz(栅长为180nm),直逼IBM公司的石墨烯FET。别的,日本财富技能综合研究所、富士通研究所、NTT物性科学基本研究所和美国波音公司(Boing)与美国通用公司的配合研究机构美国休斯研究所(HRL Laboratories, LLC)等浩瀚研究机构和企业也都纷纷插手了开拓竞争的队列。

2年时间机能提高10倍

  实际上,今朝最快的石墨烯晶体管既不是出自IBM公司、也不是出自三星公司,而是美国加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles,简称UCLA)建造的晶体管。UCLA曾于IEDM 2010之前的2010年9月在学术杂志《Nature》上颁发了截至频率为300GHz(栅长为144nm)的石墨烯FET。300GHz的截至频率可以与回收GaAs和InP等化合物半导体的晶体管相对抗。

  不外,UCLA的石墨烯FET所回收的元件结构和质料略显奇特,譬喻栅电极质料回收以Al2O3涂覆的Co2Si纳米线。

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