Science | 石墨烯将向何处去？

老千和他的朋友们 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2025-03-05 08:00

主要观点总结

本文介绍了石墨烯的研究进展和商业化应用情况。石墨烯是一种由蜂窝结构排列的碳原子组成的单原子厚度层材料，具有广泛的特殊性能，包括高电导率、热导率和强度。然而，石墨烯的工业应用尚未实现大规模生产和商业化。本文详细阐述了石墨烯的研究历程、特性、潜在应用、生产方法和商业化挑战等方面的内容。

关键观点总结

关键观点1: 石墨烯的研究历程和特性

石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料，具有广泛的特殊性能，包括高电导率、热导率和强度。自20年前发现以来，石墨烯的研究已从实验台发展到大规模生产和商业应用。

关键观点2: 石墨烯的潜在应用

石墨烯及其衍生物在电子、结构和生物医学领域具有广泛的应用前景。然而，由于生产成本和产量限制，石墨烯基产品的商业化仍然是一个挑战。目前，石墨烯衍生物在某些领域已经实现了商业化或接近商业化，例如防腐涂层、阻燃材料和电磁屏蔽材料。

关键观点3: 石墨烯的生产方法

目前，石墨烯的生产方法包括机械剥离、化学气相沉积、液相剥离法等。然而，这些方法在大规模生产高质量石墨烯薄膜方面仍然面临挑战，如晶界密度、缺陷密度、金属基底等问题。

关键观点4: 商业化挑战和策略

商业化面临的主要挑战包括高生产成本、有限产量、生产设备设计成本高等问题。为解决这些问题，需要开发新的生产方法和降低成本的策略，如直接在传统基底材料上生长石墨烯薄膜、使用范德华层状介电材料辅助转移等。此外，学术界和工业界的合作也至关重要。

关键观点5: 未来展望和建议

未来，石墨烯及其衍生物的商业化需要更紧密的合作和合作起草全面的标准体系。此外，还需要开发高通量表征方法来测量性能并筛选出不符合标准的产品。结合机器学习和人工智能的自动表征方法可以帮助克服这一限制。

正文

石墨烯 —— 一种由蜂窝结构排列的碳原子组成的单原子厚度层 —— 发现二十年后，对这种非凡材料的研究已从实验台发展到大规模生产和商业应用。

石墨烯以其广泛的特殊性能而闻名，包括电导率比铜高出 70% ，室温下的热导率是热解石墨的两倍多，强度是钢的 200 倍（而重量仅为钢的六分之一）。这些特性使石墨烯及其衍生物成为众多用途的理想选择，包括电子、结构和生物医学领域。然而，石墨烯更广泛的工业应用尚未实现。

正如 Novoselov 等人 2004 年的开创性论文中所描述的，高度定向热解石墨通过胶带机械剥离产生单层石墨烯薄片。这种新材料展现出令人着迷的性质。作者观察到强烈的双极性电场效应 —— 能够在施加栅极电压时在正负电荷之间切换的能力。他们还注意到了高室温载流子迁移率，这与电子或空穴在材料中移动的速度有关。这些特性使石墨烯在电子应用方面前景广阔。

K. S. Novoselov et al., Science 306, 666 (2004).

国家石墨烯研究院位于距离曼彻斯特大学首次分离出石墨烯的实验室仅几百米的地方

虽然机械剥离过程能生产原始石墨烯，但它只能制造尺寸从几十到几百微米的小薄片。因此，早期石墨烯研究集中在合成高质量的单层或多层连续石墨烯，主要通过在金属基底上使用含碳前驱体进行化学气相沉积。然而，有限的生产规模、不同批次间的质量差异大，以及缺乏可靠的方法将石墨烯从一个基底转移到另一个基底，都减缓了高质量石墨烯薄膜在电子设备中的应用。

石墨烯研究和商业化的初步重点集中在其衍生物上，例如石墨烯纳米片（由堆叠薄片制成的二维颗粒）、具有功能性氧基团的氧化石墨烯，以及去除氧基团的还原氧化石墨烯。这些相对更容易大量生产，而原始石墨烯主要通过胶带机械剥离石墨生产，但在产品中产生大量缺陷。 V. Nicolosi et al., Science 340, 1226419 (2013)

单层石墨烯石墨烯氧化物石墨烯纳米片

	单层石墨烯	石墨烯氧化物	石墨烯纳米片
层数	1	1-10	5-10 （或更多）
应用	磁性 / 生物化学传感器；电子设备；光子学	热管理；水处理；过滤膜；复合材料	高强度服装，复合材料和混凝土；防腐涂层
生产方法	透明胶带剥离法；化学气相沉积	石墨的化学氧化；受控气体燃烧	石墨的机械或化学分解；受控气体燃烧
电导率	高（铜的 2 倍）	低 — 实际上是绝缘体	良好，取决于层数
其他特性	高热导率（铜的 10 倍）；高强度（原子薄钢的 100 多倍）	与水混合良好；易于化学修饰	高强度和韧性

因此，石墨烯的潜在应用已转向那些能够容忍结构缺陷但仍能受益于石墨烯衍生物强度和轻质特性的领域，如 复合材料、涂层和增强材料 。例如，石墨烯纳米片已被用于防腐涂层、阻燃剂和电磁屏蔽材料，这些都接近商业化。此外，足够高的导电性、电化学稳定性和多孔结构使石墨烯衍生物有潜力用于能源存储和转换设备。相比之下，高质量连续石墨烯的工业应用仍处于初级阶段。

B. Wicklein et al., Nat. Nanotechnol. 10, 277 (2015).

石墨烯纳米片已被用于增加各种产品的强度和耐用性，包括轮胎、沥青和汽车零部件

电子和光电子设备需要合成大规模均匀的单层或多层石墨烯薄膜，具有足够高的载流子迁移率（通常超过 10,000 cm²/Vs ）。实验室和工业规模的努力都致力于优化基于化学气相沉积的石墨烯生长过程，以减少整体缺陷密度以及晶界和褶皱的数量，这些会阻碍电子传输。

此外，在大规模生产过程中，石墨烯表面会发生副反应，如非晶碳的形成，改变了石墨烯的固有特性。金属基底，如铜箔，已被广泛用于生长大面积单层石墨烯薄膜。表面介导的生长机制，其中由于基底上石墨烯覆盖后催化活性降低而抑制了额外层的进一步生长，实现了对薄膜厚度的精细控制。 X. Li et al., Science 324, 1312 (2009).

目前，晶界密度降低的晶圆级单晶石墨烯薄膜生长仅在金属上实现 G. Yuan et al., Nature 577, 204 (2020) . 。此外，在非金属基底（如半导体和绝缘体）上沉积石墨烯薄膜，对于更广泛范围的电子和光子器件是需要的。最近已经证明在绝缘蓝宝石基底上通过化学气相沉积生长石墨烯 J. Li et al., Nat. Mater. 21, 740 (2022). ，使石墨烯向商业电子和光电子设备应用迈进一步。化学气相沉积生产的石墨烯载流子迁移率超过 100 万 cm²/Vs ，表明实验室生长和原始石墨烯之间的差距不再存在 Y. Zhao et al., Nat. Commun. 13, 4409 (2022). 。然而，报告的实验室规模设备是基于在大型石墨烯涂层基底内仔细选择的区域，因此设备之间存在相当大的变化。

石墨烯发现以来的关键进展

石墨烯由于其特殊的电气、机械和热学特性，在众多工业领域展现出前景。彩色标记代表商业化每组产品需要优先考虑的关键方面。许多应用仍处于开发阶段，性能需要进一步提高。

2004 —— 石墨烯首次发现 2007—— 还原氧化石墨烯的合成， 2008—— 液相剥离法， 2009—— 在铜表面化学气相沉积石墨烯， 2014—— 石墨烯纳米片的可规模化生产， 2015—— 卷对卷石墨烯薄膜生产， 2017—— 生物传感， 2018—— 氧化石墨烯的绿色合成：防腐涂层，热扩散器， 2019—— 晶圆级石墨烯薄膜的批量生产 2021—— 海水淡化和过滤， 2022—— 便携式电池，电加热 2024 ：透射电子显微镜支撑材料

2024 及以后：石墨烯衍生物的可规模化生产，可控厚度的石墨烯衍生物自支撑薄膜，电池，混凝土，超级电容器，阻燃材料，治疗用途，航空航天结构组件，电磁屏蔽，与硅兼容的互补金属氧化物半导体技术，在传统材料上直接生长石墨烯薄膜，气体传感器，可穿戴电子设备，