石墨烯技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1、石墨烯技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢摘要：2013年1月，石墨烯入選歐盟兩項(xiàng)“未來和新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一（另一項(xiàng)為“人類大腦工程”），歐盟委員會計(jì)劃在未來十年投入10億歐元開展石墨烯應(yīng)用技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，再一次激起了各界對這一革命性材料的關(guān)注。關(guān)鍵字：石墨烯;態(tài)勢;趨勢;技術(shù)轉(zhuǎn)移;石墨烯;態(tài)勢;趨勢;技術(shù)轉(zhuǎn)移;石墨烯;技術(shù)轉(zhuǎn)化;產(chǎn)業(yè)化石墨烯（graphene）又稱單層墨，是一種新型的二維納米材料，也是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最高、韌性最強(qiáng)的納米材料。因其特殊納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，石墨烯在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲能和傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，被公認(rèn)為21世紀(jì)的“未來材料”和“革命性材料”。

2、英國兩位科學(xué)家因發(fā)現(xiàn)從石墨中有效分離石墨烯的方法而獲得2010年諾貝爾獎(jiǎng)，引起了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，石墨烯相關(guān)專利開始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長（2010年353件，2012年達(dá)1829件）。世界各國紛紛將石墨烯及其應(yīng)用技術(shù)研發(fā)作為長期戰(zhàn)略予以重點(diǎn)關(guān)注，美國、歐盟各國和日本等國家相繼開展了大量石墨烯研發(fā)計(jì)劃和項(xiàng)目?？傮w看來，石墨烯技術(shù)開始進(jìn)入快速成長期，并迅速向技術(shù)成熟期跨越。全球石墨烯技術(shù)研發(fā)布局競爭日趨激烈，各國的技術(shù)優(yōu)勢正在逐步形成，但總體競爭格局還未完全形成。具體發(fā)展態(tài)勢如下：態(tài)勢一：制備與改性的突破為產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)支撐一方面，石墨烯制備技術(shù)取得突破。石墨烯制備技術(shù)與設(shè)備是石墨烯生產(chǎn)的基礎(chǔ)

3、。一直以來，石墨烯大規(guī)模制備技術(shù)是阻礙其產(chǎn)業(yè)化的最重要因素。近來，石墨烯制備技術(shù)取得了若干突破，目前已形成自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）兩種途徑，開發(fā)出了從簡易低成本制造到大面積量產(chǎn)工藝的多種方法，包括：機(jī)械剝離、氧化還原法、化學(xué)氣象沉積（cvd）、外延生長、有機(jī)合成、液相剝離等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)不同的需求進(jìn)行選擇（表1）。其中，氧化還原法因成本低且易實(shí)現(xiàn)，有望成為最具發(fā)展前景的制備方法之一。同時(shí)，各種方法的改進(jìn)研究也在不斷進(jìn)行。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所已開發(fā)出將cvd法的處理溫度由1000降至300400的技術(shù)，并試制出a4紙大小的觸摸面板；富士通開發(fā)

4、出在基板上直接形成石墨烯的cvd法。日本東北大學(xué)開發(fā)出在硅基板上形成sic薄膜后采用sic熱分解法在si基板上形成石墨烯膜的技術(shù)，并已制作出兩極性cmos 逆變器等。另一方面，改性石墨烯技術(shù)研發(fā)持續(xù)升溫。石墨烯晶體具有確定的原子和電子結(jié)構(gòu)，對石墨烯進(jìn)行改性可以有效調(diào)變其結(jié)構(gòu)和性能，并實(shí)現(xiàn)更為多樣的功能和豐富的應(yīng)用。石墨烯可以通過化學(xué)修飾、摻雜、表面官能化和生成衍生物等進(jìn)行改性，其衍生物在微電子、復(fù)合材料、催化、儲氫等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前，石墨烯氧化物、氫化物和氮化物等方面的研發(fā)與應(yīng)用受到重視。一是石墨烯經(jīng)氧化后生成石墨烯氧化物，可和聚合物等其他材料相混合并形成復(fù)合材料，在有機(jī)薄膜太陽能電池

5、和有機(jī)晶體管元件的電極方面有重要應(yīng)用。同時(shí)也是大規(guī)模制備石墨烯材料的有效途徑，受到富士電機(jī)和索尼等企業(yè)的重視。二是石墨烯與氫鍵結(jié)合形成石墨烯氫化物。有研究表明，石墨烷（石墨烯的兩維碳?xì)浠衔铮┰趦浞矫婢哂袕V泛應(yīng)用前景。三是石墨烯晶格中引入氮原子變成氮摻雜石墨烯或氮化碳，可實(shí)現(xiàn)帶隙、載流子濃度、載流子極性等可調(diào)，在微電子器件有較好的應(yīng)用，另外還有一些特殊性質(zhì)和應(yīng)用有待探索。態(tài)勢二：四大領(lǐng)域成為應(yīng)用研發(fā)的熱點(diǎn)中科院近期發(fā)布的一份報(bào)告指出，石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展持續(xù)升溫。從石墨烯專利領(lǐng)域分布來看，其應(yīng)用技術(shù)研究布局熱點(diǎn)包括：石墨烯用作鋰離子電池電極材料、太陽能電池電極材料、薄膜晶體管制備、傳感器

6、、半導(dǎo)體器件、復(fù)合材料制備、透明顯示觸摸屏、透明電極等（圖1）。主要集中在以下四個(gè)領(lǐng)域：一是傳感器領(lǐng)域。石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)在傳感器中有廣泛的應(yīng)用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性等特點(diǎn)，能提升傳感器的各項(xiàng)性能，主要用于氣體、生物小分子、酶和dna電化學(xué)傳感器的制作。新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)出了敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器；美國倫斯勒理工學(xué)院研制出性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有商用氣體傳感器的廉價(jià)石墨烯海綿傳感器。二是儲能和新型顯示領(lǐng)域。石墨烯具有極好的電導(dǎo)性和透光性，作為透明導(dǎo)電電極材料，在觸摸屏、液晶顯示、儲能電池等方面有很好的應(yīng)用。石墨烯

7、被認(rèn)為是觸摸屏制造中最有潛力替代氧化銦錫的材料，三星、索尼、輝銳、3m、東麗、東芝等龍頭企業(yè)均在此領(lǐng)域作了重點(diǎn)研發(fā)布局。美國德州大學(xué)奧斯汀分校研究人員利用koh 對石墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾重構(gòu)形成多孔結(jié)構(gòu)，得到的超級電容的儲能密度接近鉛酸電池。密歇根理工大學(xué)科學(xué)家研發(fā)出一種獨(dú)特蜂巢狀結(jié)構(gòu)的三維石墨烯電極，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.8%，且價(jià)格低廉，有望取代鉑在太陽能電池中的應(yīng)用。東芝公司研發(fā)出石墨烯與銀納米線復(fù)合透明電極，并實(shí)現(xiàn)了大面積化。三是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。石墨烯被認(rèn)為是替代硅的理想材料，大量有實(shí)力的企業(yè)均開展了石墨烯半導(dǎo)體器件的研發(fā)。韓國成均館大學(xué)開發(fā)出了高穩(wěn)定性n型石墨烯半導(dǎo)體，可以長時(shí)間暴露在空氣

8、中使用。美國哥倫比亞大學(xué)研發(fā)出石墨烯硅光電混合芯片，在光互連和低功率光子集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。ibm的研究人員開發(fā)出了石墨烯場效應(yīng)晶體管，其截止頻率可達(dá)100ghz，頻率性能遠(yuǎn)超相同柵極長度的最先進(jìn)硅晶體管的截止頻率（40ghz）。四是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。石墨烯及其衍生物在納米藥物運(yùn)輸系統(tǒng)、生物檢測、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細(xì)菌分析、dna和蛋白質(zhì)檢測。如美國賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)的石墨烯納米孔設(shè)備可以快速完成dna 測序。石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩(wěn)定、不會出現(xiàn)光漂白和不易光衰等特點(diǎn)。石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

9、研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域之一。態(tài)勢三：技術(shù)轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快隨著石墨烯制備技術(shù)的逐步成熟和應(yīng)用研發(fā)的逐步擴(kuò)展，在各國政府和企業(yè)的大力推動下，研發(fā)成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速。截至目前，相當(dāng)數(shù)量的研發(fā)項(xiàng)目已順利完成并進(jìn)入商業(yè)化準(zhǔn)備期，石墨烯產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)入井噴式發(fā)展期。一是各國政府紛紛亮出“商業(yè)化時(shí)間表”?？v觀各國石墨烯技術(shù)研發(fā)布局，均以產(chǎn)業(yè)化為導(dǎo)向，大量研發(fā)項(xiàng)目都制定了嚴(yán)格的“商業(yè)化時(shí)間表”，充分考慮商業(yè)化前景，合理安排商業(yè)化應(yīng)用時(shí)間進(jìn)度。美國“俄亥俄州研究商業(yè)化資助項(xiàng)目（orcgp）”開展鋰離子電池納米石墨烯復(fù)合電極的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，依據(jù)商業(yè)化進(jìn)程設(shè)定項(xiàng)目研究計(jì)劃。日

10、本東北大學(xué)石墨烯合成項(xiàng)目組制定了詳細(xì)的研究與產(chǎn)業(yè)化計(jì)劃，在技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上力爭到2014年開發(fā)出樣品，并于2017 年開發(fā)出產(chǎn)品制造設(shè)備。韓國宣布未來6年將投入4230萬美元，整合國內(nèi)研究力量以協(xié)助企業(yè)的石墨烯應(yīng)用技術(shù)商業(yè)化，并希望借此打造每年17 萬億韓元的市場。二是企業(yè)成為石墨烯研發(fā)的主體力量。一方面，龍頭企業(yè)成為政府研發(fā)項(xiàng)目的承擔(dān)主角，各國政府也注重與龍頭企業(yè)的研發(fā)合作。諾基亞公司從歐盟未來與新興技術(shù)組織（fet）獲得13.5億美元資助，開展石墨烯柔性透明導(dǎo)電薄膜研究。由fp7資助的nanomaster項(xiàng)目中有英國net composites公司、荷蘭飛利浦公司、瑞士特密高公司、西班牙塑

11、料技術(shù)研究所和意大利lati公司等行業(yè)龍頭企業(yè)參與。另一方面，產(chǎn)學(xué)研合作日趨緊密。歐盟“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”從2013年開始將組織17個(gè)國家的學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的126個(gè)研究組開展合作研究，并計(jì)劃在項(xiàng)目啟動后通過公開征集的方式進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，再吸引20至30個(gè)研究組，以加強(qiáng)在工程領(lǐng)域的研究能力。韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部組織韓國41家研究機(jī)構(gòu)和6家企業(yè)成立石墨烯聯(lián)盟，并由三星公司、韓國電子通信研究院、浦項(xiàng)制鐵等牽頭完成相關(guān)項(xiàng)目。寶潔公司和戴森公司與杜倫大學(xué)合作探索石墨烯復(fù)合材料的潛在應(yīng)用領(lǐng)域；劍橋大學(xué)和塑料邏輯公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同促進(jìn)石墨烯在柔性塑料電子產(chǎn)品中的應(yīng)用研發(fā)。三是我國及上海在石墨烯發(fā)展方面具有一定基礎(chǔ)，亟待進(jìn)一步發(fā)力。截至2012年底，我國石墨烯相關(guān)論文數(shù)量已經(jīng)超過美國，名列世界首位，專利數(shù)量也僅次于美國。我國國家自然科學(xué)基金會（nsfc）關(guān)于石墨烯的資助項(xiàng)目有1096項(xiàng)（20072013年），石墨烯研究基礎(chǔ)較好。2013年7月成立了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，并于12月成立中國石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化委員會，啟動了中國石墨烯研究及檢測公共服務(wù)平臺，