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匪夷所思的石墨烯:有望续写摩尔定律的神奇之“碳”

  “联姻”硅基技术 石墨烯形有望成万亿产值

  石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体,只有一层碳原子的厚度,是迄今最薄也最坚硬的材料,其导电、导热性能超强,远远超过硅和其他传统的半导体材料。科学家们认为,石墨烯有望彻底变革材料科学领域,未来或能取代硅成为电子元件材料,广泛应用于超级计算机、柔性触摸屏、环保和医疗设备、光子传感器以及有机太阳能电池等诸多领域。

  但石墨烯征服硅谷之路面临的主要障碍是成功地将石墨烯整合到成熟的金属—硅化物技术内。现在,来自维也纳大学、德国和俄罗斯的研究人员成功地构建出一种新奇且高质量的处于一层石墨烯保护和覆盖下的金属硅化物结构。

 

  为了揭示这一新结构的基本属性,科学家们采用了基于爱因斯坦发现的光电效应而研制的角分辨光电子能谱仪(ARPES)。当一个光粒子同一种材料相互作用时,它能将所有能量传递给材料内的一个电子。如果光粒子的能量足够大,电子获取的能量就足以让它从物质中逃逸。ARPES使科学家们能通过确定电子逃离物质的角度,提取这种材料的电子属性等相关信息。

  该研究的合作者、奥地利维也纳大学材料学研究所电子属性研究中心的亚历山大·格鲁雷斯和尼克雷·沃比提斯基表示:“单原子厚度的石墨烯层以及由其制成的混合材料使我们能借用ARPES研究很多新奇的电子现象。”

  借用ARPES,科学家们发现,这种石墨烯覆盖的硅化物不会被氧化,所以,其可以用于很多电子材料和设备中。最重要的是,石墨烯层几乎不同其覆盖的硅化物发生反应,这就让其属性得以保存完好。这种石墨烯-硅化物有望广泛应用于半导体、自旋电子、光伏以及热电设备中。

  石墨烯产业有望形成万亿产值

  石墨烯,2004年首次从石墨中分离得出,是目前世界上已知的最薄的材料,几乎完全透明,具有良好的导热、导电性能。

  为推动石墨烯产业化,中国石墨烯产业技术创新战略联盟日前在京成立。该联盟由清华大学、中科院金属研究所、北京现代华清材料科技发展中心等核心单位发起,联合国内从事石墨烯研发、产业化的22家法人机构。联盟成员包括6所高校、4家中科院研究所、17家企业,基本囊括了国内石墨烯研发及产业化的主流单位。

  作为一种新型的纳米材料,石墨烯以其独特的结构、力学和电子性质,在药物投递、肿瘤治疗等生物纳米技术领域有着广泛的应用前景。它是目前人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。

  分析认为,首先,石墨烯如果取代硅,有望让计算机处理器的运行速度快数百倍。其次,石墨烯有望引发触摸屏和显示器产品的革命,制造出可折叠、伸缩的显示器件。再其次,石墨烯可以推动超级电容器发展,使得同等体积的电容扩充5倍以上的容量。此外,石墨烯加入锂电池电极中能够大幅提高导电性能。石墨烯因其超出钢铁数十倍的强度,也有望被用于制造纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣和“太空电梯”的缆线,在这些领域将引发革命性的突破。

  作为一种技术含量极高的碳材料,石墨烯在半导体、光伏、锂电池、航天、军工、LED、触控屏等领域都将带来一次材料革命。由于售价高昂,石墨烯目前尚未产业化。有分析认为,作为一种理想的替代型材料,石墨烯一旦实现产业化其产值至少在万亿以上。

  石墨烯的应用价值日益突显,随着半导制造工艺的快速发展,硅材料的就用必会达到其物理极限,到那时,石墨烯或将成为“摩尔定律”续写者。如今,石墨烯的研究已经引起了人们广泛的关注,它所孕育的巨大商业价值已经逐步显现,或许用不了多久,“碳时代”就会到来。

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