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業界八大石墨烯電子行業應用

顯而易見,現在太多拿着石墨烯應用炒概念的,要麼是借用石墨烯概念拉升股票,要麼是借用石墨烯概念來給吹噓自己已有産品,把數據吹得非常離譜——這些從科學上講是非常不靠譜的,他們并不是真的石墨烯。

“神奇材料”石墨烯最先在2004年時被從石墨中分離出來,是由單層碳原子層構成的蜂窩狀晶格二維原子晶體。EDN年初也曾報道過石墨烯的八種制作方法(點擊原文查看)。石墨烯大約隻有0.34納米厚——一個單原子的厚度,其特殊的結構形态使其具備目前世界上最硬、最薄的特征,同時也具有很強的韌性、導電性和導熱性。這是一種理想的替代型材料,被認為将在半導體、光伏、锂電池、航天、軍工、LED、觸控屏等大量領域帶來材料革命。整理了一些應用案例,大家可以猜猜哪些更容易商用,或者,還有哪些被漏掉?

應用一:石墨烯觸摸屏

這應該是石墨烯呼聲最高的應用。智能手機最關鍵的一部分就是有一塊既能導電又非常透明的觸摸屏。恰好,這正是石墨烯的特性!而且石墨烯的強度和柔韌性,都比目前的透明電極材料氧化铟錫(ITO)要更好。早在2010年,韓國成均館大學和三星公司的研究人員,就制造出由多層石墨烯和聚酯片基底組成的透明可彎曲顯示屏。當時,論文通訊作者、成均館大學教授洪秉就提出,他們的方法可用于制造基于石墨烯的太陽能電池、觸摸傳感器和平闆顯示器。但他當時也承認,大規模制造和商業化還為時尚早。

不過,五年來的發展,也出乎他的意料。在10月底在青島召開的石墨烯創新大會上,洪秉熙介紹說,石墨烯透明電極已經廣泛地應用于各種各樣的柔性光電器件,包括觸摸屏傳感器、有機發光二極管(OLED)和有機光伏器件。

應用二:石墨烯墨水打印射頻天線

英國曼徹斯特大學研究人員與石墨烯生産商BGT材料有限公司合作,用壓縮石墨烯墨水打印出射頻天線。——科學家将石墨烯材料的應用又向前推進了一大步。這種天線靈活、環保,可廉價大批量生産,能夠應用在無線射頻識别(RFID)标簽和無線傳感器上。目前,大多數商用RFID标簽由金屬鋁和銅組成,材料昂貴、制作過程複雜,而基于石墨烯的RFID标簽能夠大幅度降低材料成本。該研究團隊已經開始計劃開發石墨烯RFID标簽,以及傳感器和可穿戴電子産品了。石墨烯油墨成本低且很柔軟,比其他如納米金屬粒子導電油墨的性能還要強大很多。

應用三:石墨烯燈泡

石墨烯可調光燈泡号稱可節省10%的能源,使用壽命也更長,内含由英國曼徹斯特大學所設計、外罩石墨烯的燈絲狀LED。石墨烯燈泡價格每顆約15英鎊,這款燈泡的設計是以傳統燈泡形狀為基礎,石墨烯能讓燈泡的導電以及散熱更有效率。

應用四:更強夜視能力的視覺傳感器

現在夜視很多用紅外線系統,但是這種設備體積大是個硬傷啊。于是,研究人員将基于石墨烯的光熱電探測器整合在微機械氮化矽薄膜上。數據來了:7~9V/W的響應在10.6微米波長以及23ms時間常數下達成;氮化矽薄膜帶來的溫度隔離以及寬帶紅外線吸收,能實現300~500K的黑體目标探測與成像。此外,石墨烯的高載體遷移率可用以抵抗噪聲,因此免除了冷卻技術的需求,并足以在不需低溫冷卻的前提下偵測來自人體的熱輻射。

應用五:芯片上光通訊

“我們已開發出世界上最薄的燈泡!”紐約哥倫比亞大學工程學院教授JamesHone說,這種新型的“寬帶”光發射器可以整合到芯片上,可為實現薄如原子、可撓曲及透明的顯示器鋪路,還能做到基于石墨烯的芯片上光通訊。今年稍早,曼徹斯特大學已發布以石墨烯為基礎開發的燈泡,該燈泡是将基于長絲形的發光二極管塗覆在石墨烯上,而該大學也聲稱,此可調燈光的LED燈泡可減少10%的耗電量。芯片上可見光的關鍵是開發完全整合“光子”電路,該電路用于燈泡時,可如同現階段在半導體整合電路的電流。直到現在,研究人員尚未将白熾燈泡放在芯片上,這是因為點燃燈泡所需的溫度,微型金屬導線無法承受。石墨烯能達到的溫度超過攝氏2500度,不需要額外放大就可灼傷肉眼。研究人員也發現石墨烯在較高溫度下,會變成較差的熱導體,這意味着熱量會在芯片的中心被限制為一個“熱點”。一名研究人員指出,懸浮的石墨烯可被加熱到太陽一半的溫度,且可靠度比固定在固體基闆上的石墨烯高1000倍。

應用六:偵測氣體、檢測DNA與蛋白質

由瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)與西班牙光子科學院共同組成的一支研究團隊,最近利用石墨烯改善了分子檢測的紅外線吸收光譜。傳統上,這種方法主要利用光激發分子,依據各自性質産生不同的振動,同時創造出一種能以反射光讀取的獨特标識。但這種方法并不适用于納米級分子,因為納米分子通常比用于檢測分子的6微米紅外光子波長明顯更小。然而,研究人員們發現,石墨烯能夠聚光于特定焦點上,從而準确地“聽”到納米級分子的振動。石墨烯可實現高敏感度的振動光譜與檢測折射率Source:EPFL根據EPFL,“當光線到達時,石墨烯納米結構中的電子開始振蕩。這種現象被稱為‘局部表面等離子共振’,從而将光線集中于微小的焦點,其大小約相當于目标分子的尺寸,因而能夠用于檢測納米結構。”針對這種傳感器的潛在應用範圍從偵測氣體外洩、檢測有毒與易爆氣體、測量并檢測DNA與蛋白質以及水中污染物。另外,石墨烯擁有較大的比表面積,使其具備了制作高靈敏度傳感器的條件,一旦氣體被吸附于石墨烯表面,其表面電阻就會出現變化,然後結合電傳感檢測器,就可以讓石墨烯成為一種優異的氣體傳感器。

應用七:3D成像更精确

勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員使用單層石墨烯作為一個清晰類透鏡蓋—稱為石墨烯電池液—為單個膠狀納米粒子的原子創造新的成像系統。這個過程将大大簡化反複試驗原子級工程學的設計和重新設計過程。

大多數電子産業使用的納米粒子都存在于流體溶液中,且也被允許可處于幹燥狀态。常用的透射電子顯微鏡可在納米粒子幹燥後為其成像,但是幹燥的流體往往會扭曲納米粒子的結構,而校正結構的過程通常相當複雜,一個設計完成在之前,須經過反複多次的試驗。OK,石墨烯可作為敏感納米粒子的保護層,Ercius的團隊第一次使用的新技術,他們稱之為“SINGLE”—由石墨烯電池液電子顯微鏡鑒定的納米粒子結構—可在計算機中顯示3D模型,目的在于設計可以組合在一起的“積木”,以形成更大的特定電子和物理特性架構,滿足現今許多産業需求。在LBNL,Ercius的下一步将使用更快的每秒400幀的攝影鏡頭,以更精确的構造出TR3D模型,精準度可超越他們現在擁有的2納米精準度設備。

應用八:超導體

加拿大英屬哥倫比亞大學的研究人員,透過摻雜锂後再使其冷卻至5.9度絕對溫度。但這還隻是個開始,因為UBC教授AndreaDamascelli希望使用與先前相同的方法,加上他自已的一點秘密配方,從而讓摻雜的石墨烯達到更高的臨界溫度(Tc;即變成超導體)。 Damasdcelli已經在石墨烯原子單層中試驗過各種摻雜物了,他并測量這種可吸附的原子是否在表面上擴散,以及附着于石墨烯晶格中。下一步,Damasdcelli的研究小組以及在全球的其他同事們将共同為摻雜的石墨烯材料調整參數,希望最終能在正常的大氣壓力與室溫下實現超導體,或至少是在可輕松實現商用産品的溫度條件下,例如液态氮的溫度——77度絕對溫度,可望較易于在設備中進行維護。

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