【E課堂】一篇文章全面讀懂石墨烯

　　石墨烯制備技術(shù)

　　石墨烯的出現(xiàn)在科學界激起了巨大的波瀾，從 2006年開始，研究論文急劇增加，作為形成納米尺寸晶體管和電路的“后硅時代”的新潛力材料，旨在應(yīng)用石墨烯的研發(fā)也在全球范圍內(nèi)急劇增加，美國、韓國，中國、日本等國家的研究尤其活躍。

　　目前眾多國際大牌廠商如陶氏化學、三星、IBM以及蘋果等都在積極推進石墨烯產(chǎn)業(yè)化的研究，從2004年至今，國際上關(guān)于石墨烯的專利申請已經(jīng)達到了幾千項，主要在石墨烯的制備、能源領(lǐng)域的應(yīng)用、顯示技術(shù)方面的應(yīng)用、石墨烯納米材料以及石墨烯復合材料等方面。但全球范圍內(nèi)都沒有實施大規(guī)模量產(chǎn)的先例，這主要是由于還沒有找到一種適合大規(guī)模生產(chǎn)的方法和途徑，同時這也是石墨烯成本一直居高不下的原因。

　　目前石墨烯主要的制造方法包括五種，分別是：機械剝離法、氣相沉積法(CVD法)、SiC熱分解法、氧化還原法等。其中最接近實際生產(chǎn)應(yīng)用的是氣相沉積法。

　　石墨烯制備方法對比

　　石墨烯在汽車行業(yè)的潛在應(yīng)用

　　石墨烯是一種技術(shù)含量非常高、應(yīng)用潛力非常廣泛的二維碳材料，在眾多行業(yè)都具有廣泛甚至是顛覆性的應(yīng)用前景。而汽車產(chǎn)業(yè)又是建立在眾多行業(yè)基礎(chǔ)上的一個集成行業(yè)，因此石墨烯對于汽車行業(yè)也有重要的應(yīng)用價值和前景。

　　1.應(yīng)用于鋰離子電池，大幅縮短充電時間，提升電池容量

　　目前，全球汽車制造商使用的動力電池主要使用鋰電池，以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池、以比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰。

　　這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度最高，但它在高溫下也最不穩(wěn)定;磷酸鐵鋰電池最穩(wěn)定，但能量密度最低。鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)沉寂了20年沒有大的技術(shù)革新，其最大的障礙在于：鋰離子電池功率密度有限，其大量能量無法快速接收或釋放(即無法實現(xiàn)快充快放)。

　　石墨烯由于其超大的載流子遷移率，應(yīng)用于鋰離子電池上，可以大幅降低充電時間;而且由于其穩(wěn)定性可以提高電池循環(huán)穩(wěn)定性;另外由于超大比表面積還能提升電池容量。

　　2.表面防護材料

　　石墨烯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐腐蝕，耐氧化，強度大，并且容易在各種金屬表面生長，可以廣泛應(yīng)用于金屬材料表面保護。同時由于其導電性和高導熱性，也可廣泛應(yīng)用于有機材料的保護及防靜電領(lǐng)域?？梢韵胂笕绻谄嚸姘灞砻驽兩弦粚邮僖膊挥脫膼圮嚤粍澚?

　　3.代替硅應(yīng)用于集成電路，助力無人駕駛

　　硅讓我們進入了電子化時代，多晶硅已經(jīng)成為半導體行業(yè)的基礎(chǔ)原料，被大量用作集成電路的基板。隨著工藝技術(shù)的改進，目前硅基芯片的運行速度達到了GHz的級別，但隨著技術(shù)的不斷進步，對于計算機速度的要求越來越高。

　　然而，硅基芯片受到材料自身性能的限制，處理速度達到4-5GHz后就很難再提高，已經(jīng)逐漸不能滿足人們對速度的要求。在眾多的備選材料中，石墨烯因其超高強度、超高熱導率以及超強導電性而最引人矚目。

　　使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)出的處理器能夠達到THz(即1000GHz)，IBM已經(jīng)在2010年研制出運行速度超快的石墨烯晶體管，其最大頻率可以達到230GHz，遠遠超過現(xiàn)在的硅基晶體管運行速度。IBM在2014年7月宣布將再投入30億美元進行包括石墨烯在內(nèi)的碳芯片技術(shù)的研發(fā)。石墨烯未來很有可能取代硅成為半導體行業(yè)的基礎(chǔ)材料。

　　無人駕駛技術(shù)方興未艾，其需要超強、超快的計算能力，數(shù)據(jù)存儲、處理系統(tǒng)對集成電路要求非常高，現(xiàn)有的硅基芯片很難完全滿足其需求，而石墨烯基碳芯片的開發(fā)應(yīng)用將會解決這一技術(shù)瓶頸，提供強大的算力支持。