科普 |“充电5秒钟通话2小时”——一文带你看懂石墨烯和它的未来

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作者 | 马丽  李石馨   专利审查协作北京中心

（本文系知产力获得授权的稿件，转载须征得作者本人同意，并在显要位置注明文章来源。）

有一种材料，只有保鲜膜的厚度，但要用铅笔刺穿它却需要一头大象站在铅笔上！

有一种材料，它制备的电池可以充电5秒钟通话两小时！

有一种材料，电子在其中运动一路绿灯，几乎没有阻力，其制成的芯片的运行速度甩了硅芯片几条街！

有一种材料，制备的触摸屏可以叠起来塞在口袋里！

不要怀疑，这些材料的确存在，更不可思议的是 它们是同一种材料！这种集万千宠爱于一身的材料，获得一个诺贝尔物理学奖，想必大家也不会吃惊了吧！没错！它就是被称为“黑金”的石墨烯(Graphene)！

石墨烯的发家史

石墨烯是由单层碳原子构成的二维材料，呈蜂窝晶格的一层透明薄膜，是世界上为数不多同时具备非凡的导电性、超强的强度和极佳的透光特性的材料，这三种属性很少能在同一个材料上出现，因此它又被称为“奇迹材料”。

2004年，物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov通过用胶带机械剥离法得到较薄的石墨薄片，然后利用胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，在不断重复这一过程中得到越来越薄的石墨薄片，将这些薄片转移到二氧化硅基片上，最终在光学显微镜下发现了由一层碳原子构成的石墨烯。2010年，诺贝尔物理学奖授予了这两位科学家，以表彰他们研究石墨烯的开创性实验。评审委员会认为，石墨烯“有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破”。

石墨烯具有完美的二维平面结构，它蕴含的丰富而新奇物理现象的奥秘就来源于此。石墨烯拥有完美的对称正六边形结构，非常稳定，而且各个碳原子之间的连接很柔韧，即使受到外力冲击，也可以通过弯曲变形来维持稳定。据测试，它是迄今为止自然界中最强的二维材料，强度通常为普通钢材料的数十倍。有人曾测算，一块一平方米的石墨烯吊床足以承受一只4公斤重的猫，而该吊床的重量仅为0.77毫克，比猫的胡须还轻，肉眼根本看不到。石墨烯还有优异透光性，且几乎完全透明，只吸收2.3%的光。透明、良好的导电特性，使它极适合制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。作为是“后硅时代”的新潜力材料，其潜在应用领域包括高速晶体管、透明电极、印刷电子、新型复合材料、超灵敏传感器、新型催化剂、基因测序、储能装置等。

最让科学界瞩目的，是它超强的导电性能。石墨烯具有独特的线性电子能带结构，其传导电子是无质量的狄拉克费米子。电子在石墨烯中运动几乎没有阻力，迁移速度极快，是世上已知的电阻率最小的材料。因为这一特点，石墨烯被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件，《纽约时报》将其称之为“具备颠覆当前所有电子设备的潜质，是材料的未来和电子行业的救命稻草”。

石墨烯的专利分析

截止2016年6月30日，通过对石墨烯专利的分析统计（VEN数据库），由下图可知，有关石墨烯的专利申请在上世纪末就已出现，但随后发展较为缓慢。直到2006年后，专利申请数量才开始出现实质性的大幅增长。特别是对石墨烯的研究获得2010年诺贝尔物理学奖以后，全球石墨烯专利申请数量开始急剧增长，表明石墨烯相关专利技术进入快速发展轨道。可以认为2008年之前为石墨烯相关专利技术的萌芽阶段；2009年之后石墨烯相关专利技术开发进入快速成长阶段。

目前的电子器件工业中，硅是主流的材料，而石墨烯以其优异的导电性能、独特的能带结构有望在很多方面代替硅。石墨烯在未来电子器件上具有诱人的应用前景，被看作是石墨烯研究最可能突破、实现产业化的领域，成为国际上的研究热点和竞争焦点。石墨烯的专利申请中约有三分之一是有关电输运方面的，苹果、谷歌、三星、IBM、富士康等大企业在此领域投入了巨大的成本，着眼于未来10到20年的技术储备和战略布局，研发了一系列高端产品。该领域每年都有大量的新技术条目涌现，这也进一步证实石墨烯正处于快速发展时期，全球市场需求很大，相关技术研发投入在快速增长，推动石墨烯在电输运应用的发展。

单层的石墨烯是零带隙半导体，也就意味着其态密度是没有带隙的，但是通过特定的方法（如机械、电学、化学等方法）可使其带隙打开。石墨烯可控的带隙在电子光学器件、高灵敏气体传感器、超高电容、生物器件等领域展现出相当可观的应用前景，特别是石墨烯场效应晶体管，成为当前石墨烯专利申请的一大热点。2007年，石墨烯效应晶体管取得了极大的发展，第一个顶栅石墨烯MOSFET器件诞生，2008年第一个千兆赫的石墨烯场效应晶体管。Lin团队制备的石墨烯MOSFET，其开关频率达到100GHz，Liao等制备出沟道上迁移率达到20000cm2/(V·s)的顶栅石墨烯MOSFET。尽管如此，基于石墨烯的场效应晶体管仍存在一些有待解决的问题，如大尺寸的石墨烯MOSFET不能够实现关闭，限制了它们在一些理论上的应用，其异常的饱和行为限制了器件无线电频率的应用。石墨烯纳米带由于带隙的存在，导致晶体管不能够关闭，并且由于小的宽度限制以及边缘无序，以致制备上也存在较大问题。尽管石墨烯晶体管仍处于起步阶段，但以其低功耗、高频率、小型化等特性，可以预见由石墨烯做成的半导体器件拥有极大的应用前景，是半导体发展的路标。

量子点来源于半导体的异质结构，近年来已经得到极其广泛的研究。量子点可使光电子在纳米尺寸应用，能够用作探测器、二极管、记忆材料和激光装置。石墨烯量子点与普通的半导体量子点有着极大的不同，其原因在于石墨烯的载流子是无质量的狄拉克费米子，且服从外尔－狄拉克方程，并且在量子点边界碳原子形状的不同极大地影响了量子点的性能。目前有两种方法定义石墨烯量子点：一种是通过石墨烯层的实际几何形状来定义量子点，通常指石墨烯岛；另一种是通过电场和磁场区域来定义石墨烯量子点。近年来，一些新的方法被用来形成石墨烯量子点，例如压缩石墨烯薄片，打开石墨烯光谱带隙以及一些化学技术。

我国石墨烯发展现状及展望

对石墨烯的研究，我国起步虽相对较晚，研究跟进却很快。截止2016年6月30，据统计，我国在国际权威期刊上发表的与石墨烯相关论文、专利已经居世界第一，占全世界的二分之一。

在石墨烯的专利申请数量上，我国已经超越了欧美等发达国家和地区，说明相关企业、高校、科研院所已经开始重视保护创新成果，华为、中兴等国内电子企业对此方面的投入也在逐渐加大。但是，部分石墨烯专利质量不高也是亟待解决的问题。目前我国相关企业生产的产品大部分是在下游应用领域，且拥有的已实现了产业化的专利技术较少。虽然国内研究群体大、成果多，但突出性、原创性成果较少，我们采用他人成熟的方法，始终处于落后位置，重大创新十分有限，因此要在材料制备方法上寻求突破；国内有关石墨烯主要集中在基础研究，产业应用相对薄弱。简单重复国外的应用研究，未来可能在专利方面受制于人。石墨烯的应用和基础研究应该齐头并进，不可偏废。在进一步加深对其物理特性深入研究以获得突出原创性成果的同时，也要加强石墨烯产业化探索方面的研究。