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我国石墨烯发展状况盘点

导读: 在国家战略指引下,石墨烯相关研发成果呈现出爆发式增长,2005 年至 2014 年,全球关于石墨烯的专利共有 25,855 项,其中 2014 年有超过 9000 项申请。我国对石墨烯的研究和开发与国际一直保持同步,并在石墨烯技术研发方面处于国际前列,石墨烯研发和专利持有已在全球占据一席之地...

石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004 年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫从石墨中剥离出了石墨烯,打破了理论物理学界半个世纪以来关于石墨烯无法稳定存在的结论。石墨烯独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和较高的比表面积,使其一经发现便受到人们的广泛关注,被誉为“黑金”、“改变 21 世纪的神奇材料”、“万能材料”等,它的发现者也因此于 2010 年获得诺贝尔物理学奖。

政策助力,产业化步伐悄然加速

1、国家大力支持的新兴产业

石墨烯各方面优异的特性显示出巨大的应用潜力与商业化价值,各国政府先后发布政策投入人力物力,开展石墨烯的应用与研发。

我国对石墨烯领域的研究与开发也较早就给予了关注。2007-2012 年,中国国家自然科学基金委员会对石墨烯项目累计资助经费达到 3.30 亿元,科技部和中国科学院对石墨烯的累计资助经费分别达到了 5915 万元和 4605 万元。十二五规划、十三五规划等一系列文件都将石墨烯纳入大力发展的新材料领域。

2、石墨烯专利持有我国独占鳌头

在国家战略指引下,石墨烯相关研发成果呈现出爆发式增长,2005 年至 2014 年,全球关于石墨烯的专利共有 25,855 项,其中 2014 年有超过 9000 项申请。我国对石墨烯的研究和开发与国际一直保持同步,并在石墨烯技术研发方面处于国际前列,石墨烯研发和专利持有已在全球占据一席之地,截至 2014 年,我国石墨烯申请专利占全球总专利数的 47%,遥遥领先于第二名的美国(占比 18%)。此外,截止到 2015 年 8 月,中国在石墨烯领域发表文章占全球的 34%,远高于第二名美国(19%)。但同时也应看到,我国的石墨烯专利数量虽多但质量较差,基础专利少、应用专利多,且大多集中在导电添加剂、防腐涂料等低端应用领域,而美国、欧洲等则将主要目标瞄准高频晶体管、光电探测器以及传感器等高端应用领域。

3、产业化进入快车道

产业化方面,2013 年包括华为、东旭光电在内的主流企业与清华大学等科研机构共同建立了“中国石墨烯产业技术创新战略联盟”(CGIA),以构建产学研一体化平台,共同推动石墨烯的产业化发展。在地方政府的支持下,宁波、常州、无锡、青岛、重庆五地设立石墨烯产业园区,集中发展石墨烯产业,无锡市计划在 2015 年石墨烯及相关产业规模突破 50 亿元,2020 年达到 300 亿元。宁波市计划在三年内设立 9000 万的财政资金,并在 10 年内打造千亿级规模的产业特色群。此外,江苏、内蒙古、山东等地相继成立石墨烯联盟,旨在促进政、企、产、学、研相结合,构建以石墨烯原材料、研发、制备、应用为主体的产业链。各方的共同推动使我国石墨烯产业化进程进入快车道,石墨烯产业呈现出蓬勃发展的势头,第六元素、宁波墨西、重庆墨希、二维碳素等优秀石墨烯企业不断涌现。

产业化大幕拉开——低端领域现已切入,高端领域未来可期

1、制备:石墨烯粉体及多晶薄膜已初具规模,单晶薄膜有待突破

自 2004 年石墨烯被首次制备以来,研究人员发展了多种方法制备石墨烯,各类制备方法可归纳为 2 个主流路线,即自上而下(Top-Down)和自下而上(Down-Top)的方法。前者通常以石墨为原料,采用物理或化学的方法将石墨解离成单层或多层的石墨烯,制成的石墨烯单晶一般尺寸较小,以微片形式存在。包括机械剥离法、液相剥离法、氧化还原法等;后者通常以含碳气体或固体化合物为原料,通过化学方法利用碳原子构建石墨烯。除此之外,还有一些比较另类的生产方法如碳纳米管展开法、分子自组装法等。目前,高质量大面积石墨烯单晶的制备还处于探索阶段,不同制备方法得到的石墨烯,其物理化学特性不一样,对应着不同的应用领域。

2、我国石墨烯制备的产业化现状

低端领域生产已经初具规模。目前,国内部分厂家如第六元素、宁波墨西、重庆墨希、二维碳素等厂家已经实现了氧化还原法或液相剥离法石墨烯粉体以及 CVD 法石墨烯薄膜的规模化生产。根据不完全统计,目前我国石墨烯粉体产能共计3450 吨/年,石墨烯薄膜产能 105 万平米/年,但目前生产的石墨烯质量较差,仅能满足涂料、锂电池添加剂、复合材料添加剂、触摸屏等低端领域的需求。

高端领域生产短期内较难突破。高速电子器件、光电探测器等高端领域需要大面积高质量的石墨烯单晶,与普通多晶态石墨烯薄膜相比,单晶石墨烯薄膜制备异常困难,目前只能做到毫米级大小,与可实用化的晶圆级大小仍有相当距离,短期内较难突破,化学气相沉积法是最具开发潜力的制备技术。

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