浅析石墨烯行业产业的发展

　　有业内人士有如此评价，如果说20年是硅的世纪，那么，石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元，将给世界带来实质性的变化。石墨烯特殊的结构形态，使其具备目前世界上最硬、最薄的特质，同时也具有很强的韧性、导电性、导热性。这些极其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间，未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等等大量的领域间。

　　石墨烯行业分析

　　用石墨烯片制作集成电路;研制出慢速内存和快速内存"合二为一"的新存储器;石墨烯场效应晶体管问世;芯片有了感知认知能力。IBM公司的研究人员通过在碳化硅晶圆的硅面上种植石墨烯，成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路，向研制出石墨烯计算机芯片前进了一步。科学家开发出可使慢速内存和快速内存"合二为一"的新器件，它能同时执行易失性和非易失性器件的功能，并用于主存储器中，有望彻底改变计算机内存技术。

　　科学家利用石墨烯研制出新型的场效应晶体管，其能将开关频率提高1000多倍，可广泛应用于未来的电子设备和计算机中，使之功能更强，性能更优异。科学家首次研发出能同时发送和接收信号的双向无线广播技术，有望研制出更快捷高效的网络。英特尔公司研发出可大规模生产的三维晶体管，采用三维晶体管的芯片能减少能耗和提高性能。这是集成电路问世后计算机领域最重要的转变。英特尔还展示了采用新三维晶体管制成的22纳米微处理器-"常春藤桥"。

　　IBM研究人员首次成功构建出两个具有感知认知能力的硅芯片原型，它们能像大脑一样具有学习和处理信息的能力，基于这种芯片的新一代计算机即将闪亮登场。IBM公司展示了首块集成式赛道存储器样本，其兼具传统硬盘的大容量和闪存的快速运算以及持久耐用等特点，在存储密度和制造成本方面有望超越闪存。科学家使用砷化镓铟代替硅研制出全球首款全门三维晶体管。生产方法可同传统制造过程兼容，有望被工业界采用，开发出速度更快、更高效的集成电路和更轻便节能的手提电脑。

　　全球有200多家公司涉及石墨烯的相关研究和开发，其中不乏IBM、英特尔、美国晟碟以及三星等科技巨头。而在产品专利数量上，中国和美国遥遥领先。

　　当然在另一方面,我国的石墨烯行业仍在量产摸索阶段，目前主要的制备方法有微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法;其中氧化石墨还原法由于制备成本相对较低，是目前主要制备方法。

　　石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。

　　在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71%能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的55.2%。作为新兴产业，未来前景一片光明。

　　石墨烯特殊的结构形态，使其具备目前世界上最硬、最薄的特质，同时也具有很强的韧性、导电性、导热性。这些极其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间，未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等等大量的领域间。石墨烯集世界上最优质的各种材料品质于一身，故有业内人士有如此评价，如果说20年是硅的世纪，那么，石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元，将给世界带来实质性的变化。

　　石墨烯产业链的分析

　　石墨烯，不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬;作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快，作为一种新型高科技材料，石墨烯具有超薄、强韧、稳定、导电性好等诸多现有材料无法比拟的优点，石墨烯最终可能替代硅，引发一场全面的电子工业革命。

　　石墨烯广泛用于军事、电子工业领域。石墨烯在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。

　　产业链结构分析

　　石墨烯的研究热潮也吸引了国内外材料制备研究的兴趣，石墨烯材料的制备方法已报道的有：机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。

　　微机械剥离法

　　2004年，Geim等首次用微机械剥离法，成功地从高定向热裂解石墨(highlyorientedpyrolyticgraphite)上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，2004年只能作为实验室小规模制备。

　　化学气相沉积法

　　化学气相沉积法(ChemicalVaporDeposition，CVD)首次在规模化制备石墨烯的问题方面有了新的突破(参考化学气相沉积法制备高质量石墨烯)。CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。

　　麻省理工学院的Kong等、韩国成均馆大学的Hong等和普渡大学的Chen等在利用CVD法制备石墨烯。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，如：碳氢化合物，它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面,形成石墨烯，通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜在透光率为80%时电导率即可达到1.1×106S/m，成为透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵，这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。

　　溶剂剥离法

　　溶剂剥离法的原理是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。此方法不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构，可以制备高质量的石墨烯。在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的产率最高(大约为8%)，电导率为6500S/m。研究发现高定向热裂解石墨、热膨胀石墨和微晶人造石墨适合用于溶剂剥离法制备石墨烯。溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯，整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷，为其在微电子学、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景。缺点是产率很低。

　　溶剂热法

　　溶剂热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中，采用有机溶剂作为反应介质，通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度)，在反应体系中自身产生高压而进行材料制备的一种有效方法。

　　溶剂热法解决了规模化制备石墨烯的问题，同时也带来了电导率很低的负面影响。为解决由此带来的不足，研究者将溶剂热法和氧化还原法相结合制备出了高质量的石墨烯。Dai等发现溶剂热条件下还原氧化石墨烯制备的石墨烯薄膜电阻小于传统条件下制备石墨烯。溶剂热法因高温高压封闭体系下可制备高质量石墨烯的特点越来越受科学家的关注。溶剂热法和其他制备方法的结合将成为石墨烯制备的又一亮点。

　　氧化-还原法

　　氧化-还原法制备成本低廉且容易实现，成为制备石墨烯的最佳方法，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指将 天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。

　　氧化-还原法被提出后，以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法，得到广大石墨烯研究者的青睐。Ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团，就能得到石墨烯。氧化-还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。

　　氧化-还原法的缺点是宏量制备容易带来废液污染和制备的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，这些将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。