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石墨烯 有惊喜

2017-03-27 07:24 来源:人民日报 余建斌 李晓辉 吴 杰

浙江大学利用石墨烯制成的“碳海绵”很轻,很容易被玻璃棒上的静电吸附。

  不久前,清华大学的研究团队发布了一项“智能石墨烯人工喉”的发明,利用多孔石墨烯材料的优势,制造出一种收发同体、适合穿戴的集成声学器件,有望在未来解决聋哑人的“说话”难题。

  在国际上,英国剑桥大学等机构的研究人员则报告说,他们找到一种新方法来“唤醒”石墨烯的超导性,“被唤醒”后的石墨烯能够用于制造超级计算机等。

  石墨烯,堪称当前最热的全新材料。在航空领域,人们用“难得的元素”形容轻得像空气、坚硬得像钢铁的性能完美的材料。此前,钛合金算是最接近这一品质的理想之选,而“后起之秀”石墨烯则被认为向人类梦想的“难得的元素”更近了一步。

  什么是石墨烯

  目前世界上最薄最轻最强的材料,硬度比最强的钢铁还要强100倍

  和金刚石一样,石墨是碳元素的一种存在形式。不同的是,由于原子结构不同,金刚石是地球上最坚硬的东西,石墨则是最软的矿物之一,常做成石墨棒和铅笔芯。石墨烯就是从石墨材料中剥离出来的,只由一层碳原子在平面上构成。

  可以说,石墨烯的特点之一就是薄,堪称目前世界上最薄的材料,只有一个原子那么厚,约0.3纳米,是一张A4纸厚度的十万分之一,头发丝的五十万分之一。同时,它又能导电,电子在石墨烯中的运动速度达1000千米/秒,是光速的1/300。轻薄、强韧、导电、导热……石墨烯这些特性赋予人们很多想象空间。

  中国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室副主任孔月婵博士介绍说,石墨烯的硬度非常强,比现在最强的钢铁还要强100倍;石墨烯的电子运行速度也非常高,是硅的10倍,非常适合发展下一代超高频电子器件。此外,石墨烯还是传导热量的高手,比最能导热的金属银还要强10倍。

  石墨烯的特性,也表现得很“好玩”。比如当一滴水在石墨烯表面滚动时,石墨烯能敏锐地“觉察”到细微的运动,并产生持续的电流。这种特性给科学家们提供了一种新思路来从水的流动中获取电能。

  “石墨烯可以对单个电子进行感应,带电粒子在石墨烯表面的移动可引起石墨烯内电子的快速移动,实现传感和发电过程。”浙江大学信息电子工程学院副教授林时胜介绍说,石墨烯的这一特性在能源与电子传感方面可以有很多应用,比如在雨天可以用涂有石墨烯的雨伞来进行发电,或者可以做成灵敏的传感器件等。

  正是这些全面的性能,让石墨烯受到了前所未有的关注,一些人甚至开始预言,石墨烯的出现将引领一场由材料进步而引发的工业革命。

  怎样获取石墨烯

  世界上第一次得到单层石墨烯,是靠透明胶“粘”出来的

  人们第一次获取到石墨烯,用的是“简单粗暴”的办法。

  石墨烯本身存在于自然界。石墨烯是一层碳原子形成的薄片,原子之间形成一个六角形的环,环环相连形成蜂窝状的平面。它一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层到几十层石墨烯。此前,碳的这种二维结构形式一直存在于人们的猜想中,只是难以剥离出单层结构。关键的难题,就是怎样让石墨分层到极薄的薄片。

  许多人在学生时代也都有这样的经历,当在纸上写错字的时候,就会用透明胶带,把错字粘掉。但谁也没有想到,就是这样一个简单的方法,让人们发现了神秘的石墨烯。

  制造石墨烯,简单说就是要把石墨变薄,不能靠切,不能靠磨,而要靠粘。2004年,英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫,用透明胶将一块石墨片反复粘贴与撕开,石墨片的厚度逐渐减小,最终形成了厚度只有0.335纳米的石墨烯,也就是只有一个原子厚度的石墨烯。这是世界上第一次得到单层的石墨烯,两位科学家因此获得了2010年度诺贝尔物理学奖。

  中国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室高级工程师吴云博士给记者做了演示。他把一小片石墨片粘在胶带上面,然后对它进行交叠的撕拉。粘了半个小时后,胶带上面已经布满了灰色的石墨,然后再用胶带把这些石墨转移到了一块干净的硅片上。

  吴云说,这时候看到的都不是石墨烯,因为石墨烯不仅非常薄,而且透光度达到97%以上,几乎完全透明,人的肉眼是根本看不到的,要找到它,还得通过专用技术手段。但这已经是多层的石墨片,再通过技术手段定位并确定层数,最终才能找到制作出的单层石墨烯。

  专家说,这只是最初生产石墨烯的方法。胶带纸粘贴法演化而来的机械剥离法,只是实验室制备石墨烯的一种方法。目前,随着技术进步,高质量的石墨烯可以被更多地生产出来。

  石墨烯将带来什么

  应用石墨烯材料,手机屏幕可以轻易弯曲甚至折叠

  石墨烯的出现,有望给我们的生活带来惊喜。手机充电可以“秒充”,手机屏幕可以轻易弯曲甚至折叠,汽车可以使用石墨烯导静电轮胎,避免摩擦起电发生爆燃……从航空航天、电子信息到节能环保,利用石墨烯的特性,很多领域很可能都会发生巨大的变化。

  用石墨烯替代硅,可以提高电子芯片的性能。科研人员目前正把石墨烯的生产和应用引入半导体行业,石墨烯引发的技术革命很可能从我们常见的小小芯片开始。

  电子芯片的基础材料是硅。然而,随着芯片上元器件越来越密集,最高端的芯片上,两个元器件之间的距离已经不到10个纳米,几乎到达硅材料的极限。想要继续提高性能,该怎么办?科研人员开始尝试用石墨烯部分代替硅的作用。

  “由石墨烯制作的器件,理论上频率可以达到硅的十倍甚至上百倍,可以在雷达上应用,大幅提高雷达的分辨率。而且在通讯、成像上都有比较广泛的应用。”孔月婵介绍说,而且,当前石墨烯的研发生产设备和普通半导体器材生产设备一样,现有的技术开发都可以基于成熟的设备和工艺,为后续的工程化研制奠定了基础。

  科研人员还在做另一件大事。他们让石墨烯附着在厚度只有50纳米的金箔上,然后用一套新的办法,把石墨烯完整地转移到柔软的塑料片上。

  孔月婵说,石墨烯可以通过灵活的方法转移到任意科研人员希望的衬底上,比如电子器件上专用的一个塑料衬底,它具备柔性,也适合晶体管的制备过程。通过特别的石墨烯转移技术,将带有石墨烯的金箔附着在了塑料片上,以之为基础在这块塑料片上制备出具有一定功能的电子器件。最关键的是,这样的电子器件可以轻松弯曲。未来无论是可以折叠的显示屏幕,还是能够植入人体的可穿戴设备,都可能靠这样的石墨烯器件来实现。

  石墨烯另一个被寄予厚望的应用领域是电能的储存。在天津电源研究所,这里的科研人员正在开展最先进电容器的研究。电容器与电池一样,都能用来储存电能。它的优势在于充电速度快,几分钟就能充满,而且可以重复使用几万次。但它存储的电量不如电池多,还无法通过存储足够多的电能在生活里派上大用场。

  “这是我们已经做好的改性石墨烯配成的浆料,下一步我们就把这些浆料通过涂布机涂到铝箔上,成为我们石墨烯电容器所用的正极。”中国电科18所化学与物理电源技术国防科技重点实验室常务副主任丁飞博士说,电容材料对电容器的性能有着至关重要的影响。通过对石墨烯材料进一步改性研究,科研人员正在让电容器的储电能力一步一步向电池靠拢,而同时它拥有的超快充电速度,能够为人们的生活带来更多的便利。“我们正在做的改性石墨烯电容器,可以几分钟充满,其能量密度有望在一段时间之后,接近现有锂电池的能量密度。”

  能量密度是指在一定空间或质量的物质中储存能量的大小,能量密度越高,就表示这种物质的储电能力越强。据丁飞介绍,目前他们所研制的改性石墨烯电容器的样品,能量密度已达到传统电容器的3倍以上。虽然还处于实验室研究阶段,但是石墨烯材料的强大能力让研发团队看到改性石墨烯电容器应用的广阔前景。

  未来,当充电设施越来越完善时,电动汽车使用石墨烯电池,可能花两三分钟就可以把电充满。

  中国电科55所所长、微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室主任高涛认为,即使在实验室条件下,石墨烯的神奇性能依然没有完全释放出来。同时,技术层面还存在着不少挑战,真正大面积应用还有很长的路要走。但通过加强需求和研究的结合,不断在石墨烯材料的制备和器件研制方面取得重要突破,石墨烯这种新一代战略性新兴材料将会极大改变人们的生活。

(责任编辑:王蔚)

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