A3尺寸石墨烯薄膜、四/六英寸單晶石墨烯晶片、石墨烯玻璃纖維、超級石墨烯玻璃……走進(jìn)北京石墨烯研究院展廳，就像進(jìn)入了石墨烯的神奇世界。 石墨烯是目前已知的最薄、最硬的納米材料。 具有超薄、超輕、超柔、超高強(qiáng)度、超強(qiáng)導(dǎo)電、導(dǎo)熱、透光等特點。 其大規(guī)模應(yīng)用受到了業(yè)界的青睞。 高希望。 不過，中科院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范表示，業(yè)界對石墨烯產(chǎn)業(yè)仍應(yīng)保持耐心。 他在接受中國電子報專訪時表示：“石墨烯作為一種新材料，從研發(fā)到量產(chǎn)有著悠久的歷史，大規(guī)模應(yīng)用是一個循序漸進(jìn)的過程，不可能一蹴而就。需要遵循‘材料、設(shè)備使用’規(guī)律和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律。”

遵循規(guī)則，專注研發(fā)，靜待市場綻放。

石墨烯是由緊密堆積的碳原子組成的二維晶體。 它是目前已知的最薄、最硬的納米材料。 它具有超薄、超輕、超柔、超高強(qiáng)度、超強(qiáng)導(dǎo)電性、優(yōu)異的電性能。 導(dǎo)熱、透光等特性，它綜合了透光性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機(jī)械強(qiáng)度高等許多優(yōu)良性能。 它在電子、光學(xué)、儲能、傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 巨大的應(yīng)用潛力。

石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)

在看到石墨烯產(chǎn)業(yè)巨大的市場潛力后，一些石墨烯相關(guān)產(chǎn)品開始推廣應(yīng)用。 劉忠范告訴中國電子報記者，石墨烯新能源電池、石墨烯防腐涂料和石墨烯保健品是目前國內(nèi)石墨烯行業(yè)的“三大熱門項目”。 劉忠范通過幾個數(shù)字向記者介紹了國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀：“目前石墨烯應(yīng)用中，石墨烯新能源電池占比71%，另外一個就是石墨烯涂料，全國有上百家企業(yè)做石墨烯。” “石墨烯防腐涂料相關(guān)。然后是石墨烯保健品，占比7%左右。這三個領(lǐng)域合計接近90%。”

“超級石墨烯電池”8分鐘可充至80%電量，續(xù)航超……經(jīng)歷了一段“神化石墨烯”的市場炒作后，劉忠范指出石墨烯正處于巔峰炒作結(jié)束，市場已經(jīng)平靜下來。 預(yù)計。 這里的“冷”不是指行業(yè)遇到困難后的挫折，而是行業(yè)的理性和市場的平靜。 劉忠范坦言，在這個相對平靜的時期，人們應(yīng)該降低對石墨烯的過高期望，腳踏實地，遵循技術(shù)發(fā)展的客觀規(guī)律，對石墨烯產(chǎn)業(yè)進(jìn)行持續(xù)的技術(shù)研發(fā)。

現(xiàn)階段，劉忠范帶領(lǐng)的團(tuán)隊瞄準(zhǔn)石墨烯產(chǎn)業(yè)，正在全方位開展石墨烯基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)研發(fā)。 劉忠范告訴記者：“目前，我們團(tuán)隊主要進(jìn)行石墨烯材料制備方面的研發(fā)。具體來說，石墨烯材料主要分為三類，即石墨烯粉末材料、石墨烯薄膜材料以及介于兩者之間的纖維材料。目前， 4英寸單晶石墨烯晶圓、6英寸單晶石墨烯晶圓、A3尺寸石墨烯薄膜、超凈石墨烯均已實現(xiàn)量產(chǎn)。”

工人們在石墨烯薄膜生產(chǎn)示范中心生產(chǎn)材料

據(jù)介紹，萬米石墨烯薄膜材料已中試生產(chǎn)。 目前，劉忠范帶領(lǐng)的團(tuán)隊正在等待市場需求的真正爆發(fā)。 他表示，他的研究團(tuán)隊的首要任務(wù)就是集中精力研發(fā)，集中精力把石墨烯材料做好，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。 “技術(shù)上已經(jīng)實現(xiàn)了冗余，一旦石墨烯的應(yīng)用取得突破，我們就可以毫無技術(shù)障礙地進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。” 劉忠范笑著告訴記者，“研發(fā)加上中試生產(chǎn)，讓我們在這個行業(yè)有了競爭力。” 領(lǐng)域已經(jīng)積累了，剩下要做的就是在研發(fā)路上繼續(xù)前行，然后等待市場開花。”

成本和規(guī)模化制備是影響石墨烯產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素

作為一種新型材料，石墨烯材料的發(fā)展現(xiàn)狀是“理想很豐滿，但現(xiàn)實很骨感”。 劉忠范向中國電子報記者坦言，目前石墨烯市場上的很多石墨烯材料都不是很“靠譜”。

2018年，諾貝爾獎獲得者康斯坦丁·諾沃肖洛夫和另一位新加坡國立大學(xué)教授在《先進(jìn)材料》上發(fā)表文章。 他們檢查了全球 60 多家公司的粉末材料。 大塊石墨烯材料，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)公司提供的樣品中，石墨烯含量低于10%。 劉忠范告訴記者，石墨烯是一種純碳材料，含有100%的碳。 但目前的情況是，大多數(shù)所謂的“石墨烯材料”的碳含量不超過60%。 換句話說，超過40%的石墨烯材料甚至不是碳。 “這是目前的問題，對于石墨烯材料，行業(yè)還有很大的努力空間。” 劉忠范說道。

實驗人員進(jìn)行測試和實驗

在需要努力的諸多方面中，提高規(guī)模化制備水平是推動石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。 劉忠范告訴記者，石墨烯產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展初級階段，這個階段需要讓規(guī)模化準(zhǔn)備成為可能。 劉忠范指出，產(chǎn)品要想走出實驗室，發(fā)展成規(guī)模化產(chǎn)品，需要品質(zhì)高、一致性穩(wěn)定性強(qiáng)。 但目前大規(guī)模制備石墨烯產(chǎn)品并不容易。

其中，石墨烯的剝離是一大難點。 用膠帶粘住的諾貝爾物理學(xué)獎曾經(jīng)被說成是一個“傳奇”：用一塊膠帶將石墨粘在膠帶的另一面，然后撕下來，使石墨片變得更薄。 這是一種非常實用又有趣的剝離方式。 不過，劉忠范告訴記者，剝離粉狀石墨烯并不是用膠帶，而是采用化學(xué)方法，比如用硫酸和強(qiáng)氧化劑煮沸，將粉狀石墨烯逐層剝離。 但現(xiàn)在的困難在于，剝離的石墨烯層數(shù)從1層到100層不等，很難控制。

石墨烯的生長也是一個問題。 劉忠范表示，薄膜石墨烯通常在高溫爐中燒制。 使用銅箔作為催化劑，在1000℃的高溫加熱爐中，可以在銅箔上生長石墨烯原子層。 “雖然能長，但是長得不好。” 劉忠范告訴記者，“石墨烯原子圖像非常漂亮，但實際做出來的東西缺陷很多，質(zhì)量很差。”

大規(guī)模制備的不一致性、不穩(wěn)定和質(zhì)量低是石墨烯產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸。 除了大規(guī)模量產(chǎn)之外，成本問題也是石墨烯推向市場的一大難點。 劉忠范告訴記者，具有導(dǎo)電特性的石墨烯可以用作柔性屏幕，以各種“纖維”形狀的柔性顯示器為例。 但需要注意的是，層壓加工后，石墨烯的導(dǎo)電率和透光率還需要進(jìn)一步提高。 解決這些材料和工藝上的問題將顯著增加生產(chǎn)成本，導(dǎo)致石墨烯柔性屏失去成本效益優(yōu)勢。 市場競爭力。 “一塊A3尺寸的石墨烯薄膜材料的價格為2萬元，這個價格與現(xiàn)有的顯示技術(shù)相比根本沒有競爭力。” 劉忠范說道。

石墨烯晶圓并不是好出路，應(yīng)該尋找更多的應(yīng)用突破。

人們對新事物總是抱有很多期待和向往。 盡管石墨烯材料的規(guī)模化制備還存在困難，但石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景依然光明。

半導(dǎo)體行業(yè)被很多人視為石墨烯材料大展身手的舞臺。 后摩爾時代，新材料的使用被認(rèn)為是解決芯片性能問題、突破芯片制造物理瓶頸的途徑之一。 作為“黑金”、“新材料之王”，石墨烯備受業(yè)界關(guān)注。

劉忠范等研究人員的最新研究進(jìn)展，譜寫了石墨烯在半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用的新篇章。 長期以來，我國在氮化物核心材料和器件方面的原始創(chuàng)新能力較為薄弱，核心專利技術(shù)不足。 同時，由于缺乏均質(zhì)襯底，氮化物材料通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（）在藍(lán)寶石、硅、碳化硅等單晶襯底上異質(zhì)外延生長。 單晶襯底的尺寸、成本、晶格失配、熱失配、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性限制了氮化物材料的發(fā)展。 在這種情況下，劉忠范等研究人員利用玻璃基板上的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，開發(fā)了一系列石墨烯晶圓制備方法，通過“異質(zhì)外延”降低了氮化物對單晶基板的依賴。 對于擴(kuò)大半導(dǎo)體外延襯底的選擇范圍、豐富半導(dǎo)體異質(zhì)外延生長的概念、實現(xiàn)后摩爾時代的片上材料組裝和異質(zhì)集成具有重要意義。

實驗人員進(jìn)行測試和實驗

后摩爾時代石墨烯在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)初見曙光，但在劉忠范看來，石墨烯材料還是應(yīng)該找到自己真正的應(yīng)用突破，而不是“占領(lǐng)鵲巢”“帶動硅”劉忠范表示，硅集成電路的工藝路線是根據(jù)硅的特性量身定制的。如果想要石墨烯取代硅材料，就必須重新打造一致的工藝和邏輯用石墨烯材料，這簡直就是一個幻想。

“取代硅、把硅踢出集成電路領(lǐng)域很難，但新事物一定有自己的生存空間。” 劉忠范告訴記者，盡管試圖用“石墨烯晶圓”替代硅晶圓，在半導(dǎo)體行業(yè)實現(xiàn)彎道超車并不現(xiàn)實，但石墨烯材料非常有希望找到自己真正的應(yīng)用突破。

在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，石墨烯基半導(dǎo)體照明采用石墨烯作為緩沖層進(jìn)行III族氮化物材料（AlN、GaN）的外延生長，可以緩解大功率LED的散熱等問題，進(jìn)一步提高光電性能。轉(zhuǎn)換效率； 在新能源汽車領(lǐng)域，傳統(tǒng)的銅充電槍頭經(jīng)過石墨烯生長工藝處理并進(jìn)行表面改性。 石墨烯銅充電槍可以解決大電流快充條件下發(fā)熱和環(huán)境侵蝕問題； 它使用柔性一維纖維形式的石墨烯。 憑借獨特的功能，超級石墨烯纖維有望為便攜式能源、可穿戴電子設(shè)備等行業(yè)帶來顛覆性變革。 劉忠范告訴記者，經(jīng)過高溫爐處理后，玻璃纖維上生長了一層石墨烯。 生產(chǎn)出來的布不僅像紙一樣輕薄，而且具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性； 通過喂蠶吃少量的石墨烯，蠶絲的強(qiáng)度可以超過30%，手感更好，使用起來更涼爽。

“有人已經(jīng)把石墨烯做成了電子皮膚，這就是我們正在努力做的事情。” 劉忠范表示，石墨烯電子皮膚貼在人體上后，可以測量脈搏、血壓、體溫等人體體征，保障人們的健康。 。 在與醫(yī)療保健相關(guān)的其他領(lǐng)域，石墨烯水凝膠具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、抗菌性和遠(yuǎn)紅外理療功能，可用作神經(jīng)修復(fù)、人工軟骨、智能口罩、貼片、醫(yī)用電極等； 石墨烯透明電極具有優(yōu)異的生物組織兼容性和磁共振成像兼容性，可用于制作用于生物醫(yī)學(xué)測試的高性能神經(jīng)接口。