石墨烯的概念及其发展

2014-04-29杨进军

中国科技术语 2014年7期

摘要：近年来，石墨烯概念受到各国政府、企业和科研机构的广泛关注，有关石墨烯的制备和应用技术也得到了长足的发展。文章旨在通过对石墨烯概念及其发展态势的介绍，使得社会公众对石墨烯技术有进一步的了解，从而更好地推动石墨烯技术的知识普及，推动石墨烯技术的进一步发展。

关键词：石墨烯，概念，纳米材料

中图分类号：N04；TJ04；06 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0045-03

The Concept and Development of Graphene

YANG Jinjun

Abstract：In recent years， the concept of graphene attracts attention of many governments， companies and research institutions. The preparation and applications technology of graphene have also made great progress. This paper aims to introduce the concept and development of graphene， making the public have a better understanding on graphene technology， so as to promote literacy of graphene， and promote the development of graphene technology in future.

Keywords：graphene，concept，nanophase materials

收稿日期：2014-06-27

作者简介：杨进军（1981—），男，北京人，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心审查员，主要从事专利审查工作。通信方式：yangjinjun@sipo.gov.cn。

引言

近年来，“石墨烯”概念不断出现在人们的视野之中，成为技术发展的热点，中国、美国、欧盟、日本、韩国等经济体均不断加大对石墨烯技术的扶持力度。

2013年1月，欧盟委员会宣布，石墨烯技术在科研竞赛中胜出，入选“未来新兴旗舰技术项目”之一，该计划将在未来10年时间内提供10亿欧元的研究资助，石墨烯旗舰项目由瑞典科学家牵头负责，参与方包括来自世界各地的研发机构，2014年6月，欧盟委员会再次宣布，石墨烯旗舰项目将再增加66家参与者，其规模将增长一倍。同时，德国、英国等欧盟内国家也分别通过自身的科学基金会、科学研究委员会等机构向国内石墨烯技术的研究提供必要的帮助。

美国自2008年以来通过国防部高级研究计划署（DARPA）、国家科学基金会（NSF）等机构对石墨烯技术的研究进行资助[1]。日本、韩国也不甘人后，大力扶持、推动石墨烯技术的研究。

中国的石墨烯技术研究热度同样较高，其论文发表量、专利申请量均处于世界前列，工信部《新材料产业“十二五”发展规划》中将石墨烯作为纳米材料提及，中国科学院2009年设立“石墨烯专项研究”计划。同时，中国科学院以及国内诸多企业也积极参与到石墨烯理论及应用的研究中。

一石墨烯的概念

1.石墨烯的起源

石墨烯概念如此火热，那什么是石墨烯呢？简单来讲，石墨烯是一种由单层碳原子构成的平面二维材料，就像平面薄膜，厚度约为0.335nm，大约20万片叠加在一起才相当于一根头发丝的厚度。从内部结构上来讲，其由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形蜂窝状。

在石墨烯被发现之前，这种结构只存在于科学家的设想之中，且被认为是无法稳定存在的结构。然而，2004年，供职于曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）与其学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）利用机械分离法由石墨中成功分离出石墨烯，并以此开创性的实验成果获得了2010年诺贝尔物理学奖。

2. 石墨烯的性质

究竟是什么吸引了众多的政府、机构如此重视石墨烯的研究？主要是由于石墨烯作为一种全新的材料，具有其他材料所不具备的诸多优良特性[2]。

机械力学特性：虽然石墨烯非常薄，但其机械力学特性十分突出，实质上，石墨烯是目前人类已知的强度最高的物质。形象地讲，单层碳原子组成的石墨烯吊床可以支撑一只4kg的兔子，当石墨烯材料达到普通保鲜膜的厚度时，则可以承载两吨重的汽车。

导热率：石墨烯的导热率可以达到5300W/m·K，是铜的13倍，金刚石的5倍，在散热领域具有极高的应用前景。

电子迁移率：石墨烯具有极高的电子迁移率，现有实验证明其电子迁移率可以达到25000cm2/v·s，且几乎不随温度而变化，如此优异的特性使其有可能替代硅（1400cm2/v·s）成为下一代晶体管材料。

电阻率：石墨烯的电阻率非常低，稍低于银的电阻率，而银是之前已知的室温条件下电阻率最低的物质，这使得石墨烯可以应用于透明电极领域以改善电池性能。

光学特性：石墨烯材料几乎透明，其对可见光的吸收率仅有2.3%，透光率高达97.7%，这使得其在触摸屏、显示器等领域具有良好的应用前景。

柔性：石墨烯具有很好的柔性，在一定程度上可以弯折，这使得制造可弯曲的屏幕成为可能。

生物学特性：有些研究发现，石墨烯材料可以抑制病菌的生长，但对人体正常细胞却没有影响，可以利用其制造绷带等医用产品。

此外石墨烯还具备高比表面积等优良特性。

二石墨烯的发展

1. 国际研究态势

石墨烯的主要研究国家包括：欧盟各国、美国、中国、日本、韩国等，主要研究机构包括IBM、Intel、三星、索尼、陶氏化学、通用、施乐公司、中国科学院重庆绿色智能研究院、江南石墨烯研究院、贵州新碳高科有限责任公司、金路集团、宁波墨西科技有限公司、常州二维碳素科技有限公司、稀炭新材料研究院等。

从学术研究方面来看，截至2014年6月，ISI Web of Science数据库共收录以graphene作为主题词的文献127 903篇，其文献量自2009年以来呈现爆发式增长态势，其中中国学者发表35 713篇，占27.9%，美国学者发表25 773篇，占20.2%，两者之和接近总文献量的一半，其他国家主要还有韩国、日本、德国、印度等，其文献量均未超过10%。

从专利申请量来看，在中国专利文摘数据库（CPRSABS）中，截至2014年6月，已经公开的“石墨烯”相关申请量共5314项。国内申请量为4958项。国外申请量为356项，占总申请量的6.7%，其中美国申请112项，日本申请93项，韩国申请72项，德国申请33项，其他国家申请量相对较小。在世界专利文摘库（SIPOABS）库中，截至2014年6月，已经公开的“graphene”相关申请量共10 376项。其中申请国别为中国的超过4000项，美国的约2500项左右，其余主要申请国还包括韩国、日本，以及欧盟各国等。

国内外石墨烯研究方向主要包括其制备方法及应用。现在的制备方法主要包括机械剥离法、真空外延生长法、化学气相沉积法（CVD）、氧化石墨还原法、有机合成法等。基于石墨烯的优良性质，其应用研究领域目前主要涉及透明电极、传感器、石墨烯电池、超级电容器、显示器件、散热材料、复合材料、晶体管、药物控制释放、储氢材料等方向。

2.研究成果

2011年4月7日，IBM公司宣布研制成功世界上最快的石墨烯晶体管，其每秒能够执行1550亿个循环操作。

2011年5月，美国加州大学的华裔科学家利用石墨烯研制成功世界上最小的光学传感器，其体积极小、重量极轻，且价格便宜，传输速度可以达到100G/s的级别，是普通铜导线的一万倍，将有望极大提高上网速度。

2012年1月，江南石墨烯研究院与常州二维碳素科技有限公司宣布，共同研制成功全球首款手机用石墨烯电容触摸屏，并完成功能测试。

2012年8月16日，诺基亚公司在美国申请的石墨烯光传感器专利公开，其可以利用石墨烯高透光率特性实现微弱光线的检测。

2013年1月，中国科学院重庆绿色智能研究院宣布，成功制备出15英寸单层石墨烯，其可应用于可弯折触摸显示屏的制造。

2013年4月，贵州新碳高科有限责任公司宣布，成功制备国内首个柔性石墨烯散热薄膜，其导热效率为铜的2～4倍。

值得一提的是，谷歌（Google）公司一个名为Google X的神秘科研部门，有许多看似疯狂的研究计划，其中就包括太空电梯，如果其建成将以微小的能耗将人送入空间轨道，但建造太空电梯的材料需要比钢强100倍，同时重量只有其1/7以下，显然石墨烯具备这样的特点，这使得太空电梯的制造成为可能。

三结语

现阶段对石墨烯的研究还处于新兴阶段，石墨烯的大规模制备技术还很不成熟，其应用领域也还需要进一步地拓展。很多学者非常看好其应用前景，甚至断言其将开创一个石墨烯的时代，相信在不久的将来，石墨烯的制备、应用技术将得到长足的发展，为人类生活带来显著的变革。

参考文献

[1] 马勇，马廷灿，冯瑞华，等.石墨烯国际发展态势分析[J].科学观察，2010，5（3）：25-34.