牛祿青

石墨烯正在成為ICT產(chǎn)業(yè)的下一戰(zhàn)場。掌握石墨烯的開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，將是ICT企業(yè)未來在電子設(shè)備市場競爭的關(guān)鍵

有一種新材料，它可以使手機變得更薄可折疊，有望將電子產(chǎn)品帶入全新的柔性時代；用其研發(fā)的“超級電容器”，其充電速率遠(yuǎn)高于普通電池，一部iPhone手機充滿電僅需5秒鐘；利用它制成的光學(xué)調(diào)制器，可將互聯(lián)網(wǎng)傳輸速度提升萬倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影……這種神奇的材料就是石墨烯。

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，即由碳原子以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的平面結(jié)構(gòu)，只有一個碳原子厚度。

石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），成功地在實驗室用膠帶從石墨中剝離出了石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)及其獨特性質(zhì)激起了全世界的研究熱潮，許多專家稱之為“改變21世紀(jì)的材料”，并預(yù)測“21世紀(jì)將是碳（C）的世紀(jì)”。

Andre Geim教授今年五月在深圳參加2014石墨烯高峰論壇時表示，現(xiàn)在我們對石墨烯的認(rèn)識，無論是理論上還是實際應(yīng)用上，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到極限，還有大量的未知概念、機理和技術(shù)需要突破，幾乎每天都有令人驚奇的新性質(zhì)和新應(yīng)用被提出來。預(yù)計三、五年之內(nèi)，石墨烯會有驚奇的應(yīng)用。

中科院在發(fā)布的《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》研究報告中也指出，未來5～10年世界可能發(fā)生22個重大科技事件，其中包括石墨烯將成為“后硅時代”的新潛力材料。

27年來首次接受中國媒體采訪的華為創(chuàng)始人任正非預(yù)言：未來10～20年內(nèi)一定會爆發(fā)一場技術(shù)革命。這個時代將來最大的顛覆，是石墨烯時代顛覆硅時代?，F(xiàn)在芯片有極限寬度，硅的極限是七納米，已經(jīng)臨近邊界了，石墨（烯）已經(jīng)是技術(shù)革命前沿邊了。

石墨烯具有奇特的性能

石墨烯是已知最薄、比表面積最大、最強、最硬、導(dǎo)熱率最高、室溫下平均自由程最長、載流子遷移率最高的二維納米材料，具有獨特的隧道效應(yīng)、光學(xué)性質(zhì)、滲透性質(zhì)等特性。（見圖1）

石墨烯具有超強的導(dǎo)電性，電子遷移率是硅的100倍。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射，受到的干擾也非常小。因此電子的運動速度超過了在其他金屬單體或半導(dǎo)體中的運動速度，能夠達(dá)到光速的1/300，而電阻率是目前已知電阻率最小的材料。

石墨烯的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管和金剛石，是銅鋁等金屬的數(shù)十倍，這使得石墨烯有望作為未來超大規(guī)模納米集成電路的散熱材料。石墨烯還具有比金剛石堅硬、是鋼鐵100倍的機械強度，以及良好的柔韌性和優(yōu)異的透光性，透光率達(dá)到97.7%。

此外，石墨烯具有極高的比表面積，理想的單層石墨烯比表面積能夠達(dá)到2630平方米/克，而普通的活性炭的比表面積為1500平方米/克，這使得石墨烯可成為潛力巨大的儲能材料。

石墨烯的制備方法及主要形態(tài)

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家使用微機械剝離法首次制備出單層石墨烯，開啟了石墨烯材料的研究熱潮，新的石墨烯制備方法層出不窮，研究人員一直在為試圖攻克低成本、大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯宏量制備技術(shù)難題而努力。目前主要制備方法有五種：微機械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、溶劑剝離法、外延生長法。（見表1）

微機械剝離法是指從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二，不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后得到僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。該方法得到的石墨烯質(zhì)量高，但尺寸較小，大小不一，且成本很高，無法滿足工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)要求，目前只能用于實驗室制備。

化學(xué)氣相沉積法（CVD法）是指反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。具體方法是先在基底表面形成一層過渡金屬薄膜，以此金屬膜為催化劑，以甲烷、乙烯等小分子含碳?xì)怏w為碳源，經(jīng)氣相解離后在過渡金屬膜表面形成石墨烯片層，最后通過酸液腐蝕金屬膜得到石墨烯。常用的過渡金屬有銅、鉑、銥、鎳等。

氧化還原法是將天然石墨與強酸和強氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨，經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯（單層氧化石墨），加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧集團，如羧基、環(huán)氧基和羥基，得到石墨烯。

溶劑剝離法是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，此時溶劑可以插入石墨層間，進(jìn)行層層剝離，制備出石墨烯。

就形態(tài)而言，石墨烯可以主要分為微片和薄膜兩大類。（見圖2）前者一般從石墨剝離而得，具有微米級的薄片結(jié)構(gòu)，由單層或多層石墨烯構(gòu)成，包括功能化石墨烯微片（通過氧化還原法制備）和無氧化或弱氧化石墨烯微片（通過插層剝離法制備）。

后者主要通過化學(xué)氣相沉積方法制備，呈大面積透明薄膜形態(tài)，由單層或多層石墨烯構(gòu)成，又可細(xì)分為單晶薄膜和多晶薄膜（透明導(dǎo)電石墨烯薄膜）。

從技術(shù)成熟度而言，石墨烯微片有望率先在兩到三年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，石墨烯薄膜產(chǎn)業(yè)化至少需要三到五年的時間。

石墨烯在ICT領(lǐng)域的應(yīng)用前景

石墨烯的市場潛力巨大，據(jù)預(yù)測，未來五到十年，石墨烯市場規(guī)模將達(dá)到萬億。其中在集成電路領(lǐng)域，石墨烯取代1/10的硅運用在集成電路領(lǐng)域，市場容量將超過5000億元。

1、石墨烯微片與ICT

功能化的石墨烯微片由于具有較豐富的含氧官能團，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較差，適合用作高分子復(fù)合材料的補強填料。而無氧化或弱氧化的石墨烯微片具有獨特的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，可廣泛應(yīng)用于與信息通信技術(shù)（ICT）行業(yè)有關(guān)的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、散熱等領(lǐng)域，具體為：

（1）鋰離子電池

石墨烯微片作為高性能導(dǎo)電添加劑，可大幅提升鋰離子電池的性能。實驗結(jié)果表明，石墨烯導(dǎo)電添加劑能夠大幅降低電池內(nèi)阻，提高電池倍率充放電性能，顯著延長電池循環(huán)壽命；同時可增加活性材料克容量發(fā)揮，從而提高電池容量；還可減少導(dǎo)電劑用量，有利于設(shè)計高能量密度電池；含有石墨烯導(dǎo)電劑的電池在高倍率充放電過程中發(fā)熱相對較少，電池表明溫度相對更低，有利于提高電池的安全性；此外，石墨烯還可涂覆在鋁箔集流體上，有助于提升鋰電池的綜合性能。這對于使用鋰電池的智能手機、平板電腦等移動終端來說，無疑是一大福音。

（2）導(dǎo)電油墨

石墨烯在導(dǎo)電油墨及導(dǎo)電膠黏劑方面有著廣泛的應(yīng)用前景。采用石墨烯作為填充料，與碳黑、銀粉、鎳粉等相比，不僅可以降低填充料，而且可以解決導(dǎo)電性能和成本之間的矛盾。因此，石墨烯導(dǎo)電油墨有望廣泛應(yīng)用于柔性電路、薄膜電極印刷、射頻RFID標(biāo)簽印刷等。石墨烯導(dǎo)電膠黏劑則可用于LED封裝、電子器件封裝，降低封裝成本。

（3）散熱材料

隨著電子電器產(chǎn)品的處理速度和功率日益提高，需要更高熱輻射性能的散熱材料，而具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能的石墨烯可以滿足這一應(yīng)用需求。石墨烯導(dǎo)熱膜和石墨烯散熱涂料可以應(yīng)用于LED照明、智能手機、筆記本電腦、平板電腦、可穿戴設(shè)備、空調(diào)等領(lǐng)域的散熱中。

（4）抗靜電材料

與傳統(tǒng)炭黑類抗靜電劑相比，石墨烯微片不僅能有效地降低電阻率，而且可以大幅減少導(dǎo)電填料用量，避免電子器件短路等問題。

2、石墨烯薄膜與ICT

根據(jù)其優(yōu)異的透明導(dǎo)電性，石墨烯薄膜主要應(yīng)用于電子信息領(lǐng)域，包括觸摸屏、顯示屏、超級電容器、太陽能電池、光學(xué)調(diào)制器、光電傳感器、基因電子測序、高頻電子器件、量子隧穿勢壘材料等。

（1）石墨烯觸摸屏

石墨烯的高導(dǎo)電性、高透明性、高韌性讓其可取代傳統(tǒng)ITO玻璃觸摸屏。一旦石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的低成本連續(xù)化生產(chǎn)獲得突破，石墨烯觸摸屏有望在電子產(chǎn)品中得到大規(guī)模應(yīng)用。

桌面系統(tǒng)正朝著移動方向快速發(fā)展，根據(jù)Yakee Group的數(shù)據(jù)，到2016年，全球移動設(shè)備銷售額將達(dá)到8470億美元。而英國Juniper Research去年10月曾預(yù)計，可穿戴計算設(shè)備市場在未來5年內(nèi)規(guī)模將擴大14倍，達(dá)到190億美元。智能手機、平板電腦和可穿戴設(shè)備需求的增加為石墨烯觸摸屏的應(yīng)用提供了廣闊的市場空間。

根據(jù)市場調(diào)查公司IDC最新的預(yù)測報告，2014年全球智能手機出貨量將達(dá)到12億部，中國智能手機出貨量將超過4.5億部。智能手機市場未來幾年將繼續(xù)保持高增長態(tài)勢，到2018年全球智能手機的出貨量有望是全球PC出貨量的6倍。

據(jù)美國市場研究公司NPD DisplaySearch發(fā)布最新研究報告稱，2017年的全球平板電腦出貨量將超過4.56億臺，在移動計算市場的占比將達(dá)到75%，其中新興市場將成增長主力，到2017年，新興市場占全球移動PC出貨量的60%以上。這些地區(qū)已經(jīng)對平板電腦表現(xiàn)出濃厚的興趣，而傳統(tǒng)筆記本僅占30%的銷量，其余都被平板電腦奪走。

（2）柔性顯示

基于石墨烯透明導(dǎo)電薄膜以及其他柔性電子器件（觸摸面板、OLED面板、柔性電極、電子紙、發(fā)光二極管等）的柔性顯示技術(shù)，有望將電子產(chǎn)品帶入全新的柔性時代。

據(jù)預(yù)測，觸摸屏產(chǎn)業(yè)到2020年市場規(guī)模將達(dá)到360億元，而其中柔性顯示市場即將爆發(fā)，到 2023年會達(dá)到270億元規(guī)模。

（3）超級電容器

超級電容器是靠極化電解液來存儲電能的新型電化學(xué)裝置，在通信、消費性電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值，已被世界各國所廣泛關(guān)注。石墨烯基的超級電容器具有良好的功率特性，有望帶來超級電容器的升級換代。

（4）光學(xué)調(diào)制器

利用石墨烯制成的小尺寸且廉價的光學(xué)調(diào)制器具有超高速的信號傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)傳輸速度提升一萬倍。

（5）芯片材料

石墨烯擁有比硅更高的載流子遷移率，是一種性能非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，可以代替硅制造新型晶體管和集成電路，特別適合用于高頻電路。

一旦晶圓級尺寸石墨烯單晶薄膜的規(guī)模化制備取得突破，石墨烯有望取代硅晶片，成為新一代高頻晶體管和計算機芯片的核心材料，用來生產(chǎn)未來的超級計算機，從而為電子信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)帶來革命。

石墨烯在ICT領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

1、國外產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

自石墨烯問世以來，關(guān)于石墨烯的研究進(jìn)展迅速，美國、英國、歐盟、韓國、日本等都發(fā)布或資助了一系列相關(guān)研究計劃和項目，大力促進(jìn)石墨烯技術(shù)及其應(yīng)用研究。從2006年開始，美國國防部高級研究計劃署、美國國家科學(xué)基金會先后資助石墨烯項目超過200項，重點布局石墨烯在超級電容器和下一代更小、更快的電子器件等前沿方向的應(yīng)用。2013年1月歐盟將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項目”，十年提供10億歐元進(jìn)行研究開發(fā)。

隨著石墨烯及其應(yīng)用研究的不斷深入，其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也在加快推進(jìn)。石墨烯產(chǎn)業(yè)化主要分為石墨烯微片和石墨烯薄膜兩類產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。美國的Vorbeck Materials公司和XG Sciences公司是國際上最早從事石墨烯微片生產(chǎn)的公司。前者采用氧化還原法制備，已在導(dǎo)電油墨和鋰電池等領(lǐng)域開展了應(yīng)用研發(fā)。后者采用無氧化的插層剝離法制備，重點開發(fā)高分子復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

在石墨烯薄膜產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，目前韓國三星公司在石墨烯專利量上處于領(lǐng)先地位，而蘋果、IBM、諾基亞、LG、索尼、東芝、富士通等廠商都在這一領(lǐng)域加強了應(yīng)用研發(fā)。（見案例1和案例2）

2、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

石墨烯的興起同樣引起了我國政府的高度重視，工信部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的前沿新材料就包含石墨烯。此外，國家科技重大專項、國家973計劃也部署了一批有關(guān)石墨烯的重大研究項目。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國石墨礦儲量占到世界總儲量的75%，生產(chǎn)量占到世界總產(chǎn)量的72%，具備發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)的資源基礎(chǔ)。從2011年開始，我國發(fā)表的石墨烯論文數(shù)量和申請的石墨烯專利數(shù)量均超越美國，位居世界首位。2013年，我國石墨烯第1號標(biāo)準(zhǔn)《石墨烯材料的名詞術(shù)語和定義》正式發(fā)布，預(yù)示著中國石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)走在世界前沿。

此外，我國石墨烯的產(chǎn)業(yè)化步伐進(jìn)一步加快，不僅涌現(xiàn)出一批石墨烯企業(yè)，成立了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟和石墨烯研究及檢測平臺，而且寧波、無錫、常州、重慶等地已具備石墨烯技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)卣苍诖罅ν苿邮?yīng)用研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。特別是無錫和寧波，先后發(fā)布了《無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要（2013～2020年）》和《寧波市石墨烯技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2014～2023）》，并出臺了一系列政策措施，扶持力度非常大。

按照無錫市政府去年底發(fā)布的《規(guī)劃》，無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)將重點發(fā)展微電子、超級電容器、透明導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)熱材料、復(fù)合材料、超級催化劑、電線電纜以及環(huán)保產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用推廣。到2015年，無錫的石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到50億元，到2020年，爭取突破300億元。無錫市財政今后兩年統(tǒng)一安排2億元資金，用于支持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

常州武進(jìn)也在打造“東方碳谷”，明確設(shè)立三年不低于2億元的“碳材料專項資金”，同時成立總規(guī)模不少于20億元的創(chuàng)業(yè)投資基金，支持石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)。2011年5月，常州市和武進(jìn)區(qū)共同成立江南石墨烯研究院并同步啟動常州石墨烯科技產(chǎn)業(yè)園建設(shè)，這是國內(nèi)首個基于石墨烯材料及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化基地。

作為較早開展石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)的國家，目前我國已有一批石墨烯企業(yè)在與ICT有關(guān)的石墨烯微片和石墨烯薄膜產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中嶄露頭角。石墨烯微片的代表性生產(chǎn)企業(yè)包括：寧波墨西科技（見案例3）、四川金路集團、第六元素、上海新池、新碳高科、廈門凱納等；石墨烯薄膜的代表性生產(chǎn)企業(yè)包括：常州二維碳素、重慶墨希科技、無錫格菲電子等。此外，還有一些將石墨烯微片或薄膜運用于ICT領(lǐng)域的應(yīng)用企業(yè)，如維科電池、寧波南車、力合光電、愛維特、泰州巨納等。

此外，中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院2013年1月成功制備出國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯。隨后，上海南江（集團）有限公司與中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院共同出資成立了重慶墨?？萍加邢薰?，生產(chǎn)大面積單層石墨烯導(dǎo)電膜，主要應(yīng)用于柔性觸控、微電子器件、顯示與照明等領(lǐng)域。去年12月，重慶墨希1000萬片石墨烯薄膜生產(chǎn)線宣布正式投產(chǎn)，此前已經(jīng)和廣東正揚科技股份有限公司簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同推進(jìn)石墨烯薄膜在觸摸屏上的應(yīng)用，解決了未來五年的石墨烯薄膜的銷售問題。

2013年，愛維特成功研制并發(fā)售了全國首款雙層多點石墨烯觸控手機，此款手機具有低碳環(huán)保、材質(zhì)纖硬、清晰通透及觸控靈敏的特點，首批試產(chǎn)了兩千余臺，并在淘寶上銷售。

電子器件和移動設(shè)備柔性化、高頻化、小型化是發(fā)展趨勢，而石墨烯獨特的性質(zhì)非常適合下一代電子產(chǎn)品，石墨烯將成為ICT產(chǎn)業(yè)的下一戰(zhàn)場。目前IBM、三星、蘋果、谷歌等國際巨頭均已看到了這方面的潛力，不僅開始儲備與石墨烯技術(shù)相關(guān)的專利，而且加快石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。掌握了石墨烯的開發(fā)應(yīng)用技術(shù)將成為ICT企業(yè)未來在電子設(shè)備市場競爭的關(guān)鍵。

需要指出的是，我國雖然在石墨烯基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研發(fā)中處于世界前列，但除富士康之外，還未看到ICT領(lǐng)域的知名品牌和大企業(yè)參與石墨烯的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。如果等國外的ICT巨頭實現(xiàn)了石墨烯大規(guī)模應(yīng)用后，我國ICT企業(yè)再被迫去追趕，這對我國石墨烯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和ICT產(chǎn)業(yè)的國際競爭是不利的。與其追趕，不如提早布局，抓緊行動。