石墨烯或將帶來一場技術革命但眼前必須面對一些瓶頸
2014-04-09 17:03:41
admin
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據科學網2013年11月27日訊 石墨烯令人眼花繚亂的優點讓人期待一場技術革命，但科學家在花費10億歐元的同時，必須要打通一些瓶頸。
歐盟委員會于今年1月批準了石墨烯旗艦項目。此前，石墨烯研究已經是世界上規模*大的材料科研項目，總計有數百名來自歐洲17個國家的科學家參與。在旗艦項目于11月25日提交進一步的項目提案后，石墨烯研究必將進一步擴大。
石墨烯是人類制造出的*薄物質：一薄片碳原子以六邊蜂窩型呈現，堅硬如金剛石，其強度是鐵的數百倍。但與此同時卻具有極高的柔韌度，甚至具備可伸縮性。以石墨烯為媒介在室內環境下傳輸電流，其速度超過任何已知的材料。此外，它還能將任意波長的光轉換成穩定的光流。自從石墨烯于10年前第一次被分離出來后，研究者針對它潛在的用途提出了多種設想——從更快的電腦芯片到更靈活的觸摸屏，再到高效率的太陽能電池和海水淡化膜。
但是，要想充分掌握石墨烯的屬性并將其應用于實際用途中，研究者還面臨著巨大挑戰。大型號石墨烯的制造工藝非常復雜且十分昂貴，經常使得碳原子破裂或撕裂，無法與實驗室中完美比例的石墨烯相媲美。即便質量過關，目前既沒有先進的工業手段將石墨烯制造得如此之薄，也沒有技術將它與其他物質結合從而生產出有用的產品。除此之外，它還有一個*大的弱點：雖然石墨烯中的電子流動性極強，但它的其他屬性決定了石墨烯根本不適合開關切換活動，而這是數字電子技術的核心要求。
因此，業界提出針對石墨烯開展技術革新。該觀點于2011年首次提出，旨在促成一項由多國共同推動的“石墨烯旗艦技術”項目。該項目時長10年，總投入為10億歐元（約合13.5億美元），歐洲各國共同努力將石墨烯從實驗室引領到工業領域。除此外，為了彌補石墨烯的缺陷，旗艦項目還將研究超過12種原子超薄材料，與石墨烯搭配使用。
英國劍橋大學石墨烯中心負責人兼旗艦項目執行委員會主席Andrea Ferrari說：“新注入的資金和能量刺激了整個石墨烯研究界。之前從未有過如此大規模的研究活動。”
人多誤事？
但有一些人質疑該項目是不是過于龐大，這種跨學術界和產業的合作不可避免地受到官僚主義的束縛，它是否是推動技術革新的*有效方法?
紐約州約克敦海茨市美國國際商用機器公司（IBM）托馬斯·沃森研究中心的石墨烯及納米技術專家Phaedon Avouris說：“這種方法并不能真正推動產品革新。”此外，一些參與項目的研究者擔憂：在未來幾年中，政治力量會壓過本應處于*優先位置的科研活動，控制本就分散的資金來源。
不過，由于對旗艦項目的未來充滿信心，各國政府與包括諾基亞和空客公司在內的行業合作伙伴將共同提供項目所需的一半資金，而歐盟委員會將提供另一半資金。旗艦項目負責人Jari Kinaret說：“我希望10年后，基于石墨烯或者其他薄層材料的科學技術將成為主流。正如當下我們廣泛地將聚合物、半導體技術以及制陶術應用于生活中一樣，石墨烯總有一天也會如此。”
旗艦項目被細分為16項研究內容，其中大部分項目著眼于提升石墨烯在實際生活中的應用，例如高頻電子、傳感器以及能量儲存。在項目啟動階段投入5400萬歐元后，該項目進一步的研究提案總價值達900萬歐元，預計于2016年年底前開發出第一批技術原型。
產業行動
旗艦項目的進展離不開其他行業伙伴的合作，例如西班牙圣塞巴斯蒂安市石墨烯公司，該公司目前石墨烯產量為每年15平方米。此外，旗艦項目的順利開展還得益于9月與青石全球科技公司簽訂的一份協議，該公司位于紐約州瓦屏九瀑布市，此前并無生產石墨烯的經驗。該公司將在英國曼徹斯特市開辦工作室并提前為石墨烯的順利生產建造配套設施，這是英國在石墨烯生產領域的重大舉措。今年，該公司利用氫的泡沫成功在沒有造成腐蝕的情況下將大型單片石墨烯從銅薄片中分離出來，提高了石墨烯的產量，降低了生產成本。
但是，諾基亞公司傳感器和材料研究負責人兼旗艦項目咨詢委員會成員Tapani Ryhanen說：“盡管青石公司作出了努力，石墨烯的生產過程仍然非常復雜，將石墨烯添加到基片上難度很大。”旗艦項目的目的是精煉化學氣相沉積（CVD）過程，并對備選生產方法進行改良。
此外，問題還在于如何把新鮮出爐的石墨烯從催化箔轉移到新的基片上。例如，當把石墨烯安置在硅片上時，硅片會起褶皺。一個解決方法是直接在基片上制造石墨烯，或者將其安置在其他更堅固、防護能力更強的單層上，諸如氮化硼。該方法于今年早些時候已經開始了小規模嘗試。
奧斯丁市得克薩斯大學的Rod Ruoff曾主持改進CVD制造方法的工作。他認為，減少石墨烯的生產成本并使其成為主流材料的watechliuhede方法在于如何工業化大規模生產高質量的單層。旗艦項目將研究化學處理方法、超聲波振動等其他技術手段，但是要找到一項實用的生產方法仍然有很長的一段路要走。Ruoff說：“我們需要一次徹底的突破。”
盡管在制造方面面臨諸多挑戰，但有人指出石墨烯已經對市場造成了沖擊。例如，將多片單層合在一起的多層石墨烯可用于強化網球拍。此外，多層石墨烯可形成傳導性回路，馬里蘭州杰瑟普市沃爾貝克材料公司將其應用于反盜竊包裝中。
致命缺陷
然而，在數字電子技術領域，石墨烯*突出的優點卻成為其*致命的缺點。原則上，石墨烯內部具有極高流動性的電子使其能夠以極高的速率處理數據，一些石墨烯器件的數據處理速度已達到400千兆赫，是硅器件的數倍。但由于石墨烯的電子間缺乏帶隙，一旦開始傳輸數據則很難再把它關掉，這嚴重妨礙了邏輯運算的進行，因為邏輯運算的所有問題都是開與關的問題。如果將其他材料摻雜進石墨烯或將石墨烯切割成窄條便可形成狹小的帶隙，但這會降低電子的流動速度。因此，研究者正嘗試調和石墨烯的電氣性能，例如將石墨烯與其他單層材料諸如氮化硼相結合，或者以二硫化鉬和鎢聯硒化物為材料制造晶體管。
但是，倫敦市Cientifica科技公司的Tim Harper認為，石墨烯要想代替硅電子的地位，還有很長的路要走。Harper說：“除非真有強有力的理由，否則沒有人會放棄硅。”近期，石墨烯晶體管*大的賣點可能在于它能在多種電壓下運轉的特點，而不是其開通或者關閉的能力。石墨烯的應用范圍包括，用于探測環境污染或者血氧水平的傳感器，以及手機內部的信號發送器和接收器。
美國眼力健公司的Daniel Neumaier主持旗艦項目的子項目之一高頻電子的研究，他的目標是在項目啟動30個月之后，設計出用于證明石墨烯潛力的技術原型。Neumaier說：“我們目前對此抱有極高的期望。”
此外，正如一些研究者所擔心的那樣，作為歐洲*高級別的科研項目，石墨烯旗艦項目需要謹慎地航行，以免在危機四伏的政治水域中觸礁。