【E課堂】一篇文章全面讀懂石墨烯

　　石墨烯制備技術

　　石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，從 2006年開始，研究論文急劇增加，作為形成納米尺寸晶體管和電路的“后硅時代”的新潛力材料，旨在應用石墨烯的研發也在全球范圍內急劇增加，美國、韓國，中國、日本等國家的研究尤其活躍。

　　目前眾多國際大牌廠商如陶氏化學、三星、IBM以及蘋果等都在積極推進石墨烯產業化的研究，從2004年至今，國際上關于石墨烯的專利申請已經達到了幾千項，主要在石墨烯的制備、能源領域的應用、顯示技術方面的應用、石墨烯納米材料以及石墨烯復合材料等方面。但全球范圍內都沒有實施大規模量產的先例，這主要是由于還沒有找到一種適合大規模生產的方法和途徑，同時這也是石墨烯成本一直居高不下的原因。

　　目前石墨烯主要的制造方法包括五種，分別是：機械剝離法、氣相沉積法(CVD法)、SiC熱分解法、氧化還原法等。其中最接近實際生產應用的是氣相沉積法。

　　石墨烯制備方法對比

　　石墨烯在汽車行業的潛在應用

　　石墨烯是一種技術含量非常高、應用潛力非常廣泛的二維碳材料，在眾多行業都具有廣泛甚至是顛覆性的應用前景。而汽車產業又是建立在眾多行業基礎上的一個集成行業，因此石墨烯對于汽車行業也有重要的應用價值和前景。

　　1.應用于鋰離子電池，大幅縮短充電時間，提升電池容量

　　目前，全球汽車制造商使用的動力電池主要使用鋰電池，以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池、以比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰。

　　這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度最高，但它在高溫下也最不穩定;磷酸鐵鋰電池最穩定，但能量密度最低。鋰離子電池技術已經沉寂了20年沒有大的技術革新，其最大的障礙在于：鋰離子電池功率密度有限，其大量能量無法快速接收或釋放(即無法實現快充快放)。

　　石墨烯由于其超大的載流子遷移率，應用于鋰離子電池上，可以大幅降低充電時間;而且由于其穩定性可以提高電池循環穩定性;另外由于超大比表面積還能提升電池容量。

　　2.表面防護材料

　　石墨烯結構穩定，耐腐蝕，耐氧化，強度大，并且容易在各種金屬表面生長，可以廣泛應用于金屬材料表面保護。同時由于其導電性和高導熱性，也可廣泛應用于有機材料的保護及防靜電領域。可以想象如果在汽車面板表面鍍上一層石墨烯，再也不用擔心愛車被劃了!

　　3.代替硅應用于集成電路，助力無人駕駛

　　硅讓我們進入了電子化時代，多晶硅已經成為半導體行業的基礎原料，被大量用作集成電路的基板。隨著工藝技術的改進，目前硅基芯片的運行速度達到了GHz的級別，但隨著技術的不斷進步，對于計算機速度的要求越來越高。

　　然而，硅基芯片受到材料自身性能的限制，處理速度達到4-5GHz后就很難再提高，已經逐漸不能滿足人們對速度的要求。在眾多的備選材料中，石墨烯因其超高強度、超高熱導率以及超強導電性而最引人矚目。

　　使用石墨烯作為基質生產出的處理器能夠達到THz(即1000GHz)，IBM已經在2010年研制出運行速度超快的石墨烯晶體管，其最大頻率可以達到230GHz，遠遠超過現在的硅基晶體管運行速度。IBM在2014年7月宣布將再投入30億美元進行包括石墨烯在內的碳芯片技術的研發。石墨烯未來很有可能取代硅成為半導體行業的基礎材料。

　　無人駕駛技術方興未艾，其需要超強、超快的計算能力，數據存儲、處理系統對集成電路要求非常高，現有的硅基芯片很難完全滿足其需求，而石墨烯基碳芯片的開發應用將會解決這一技術瓶頸，提供強大的算力支持。