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石墨烯發展路線的分析與預測,一切才剛剛開始

     作為一種新型材料,石墨烯自被發現15年來,正以預期的速度朝着其商業進程發展。
     将一種新材料推向市場有可能改變整個行業。但是人們通常忽略,基于科學創新成果的轉化一般需要花費數年的時間,而取得巨大的市場成功則至少需要20至30年。多種不同材料和器件的應用過程證實了這一點,舉幾個例子來說:固定化酶、導熱材料、導電聚合物或工業用激光器。可見将新材料推向市場的挑戰不容小觑,新材料的開發并不會像軟件開發一樣迅速,基于新材料的創新道路是艱難,漫長且昂貴的。
     材料的市場化時間甚至會跨越幾個世紀。從1824年發現矽到1958年發明矽芯片,足足有124年的時間。現在,幾乎所有現代産品都使用了芯片技術。自從1947年第一台設備問世以來,已經有數百萬美元被投入到了半導體技術領域。在國際半導體技術路線圖(ITRS)中開發通道長度更短的晶體管,對一家公司來說需要數十億美元的投資,如果開發成功,建立晶圓廠需要再注入數十億美元的現金。值得注意的是,在1947年後的最初7年中,是由于Teal及其貝爾實驗室和德州儀器(TI)的同事在矽方面的開拓性工作,才使得許多基于Ge的設備開始轉向Si。
     創新并不是憑空而來的。從基礎研究到應用研究,再到開發,設計,生産和營銷,它并不是線性進行的。相反,它的特點是各種參與者和商業活動之間存在廣泛的聯系,互動和反饋。創新可以被視為一個系統的過程。因此,在學術界和工業界之間建立有效的網絡,并促進創造周期來管理早期技術風險,是創新的主要動力,對于新材料的創新尤其如此,例如石墨烯和相關材料(GRMs),包括非碳基層裝材料及其異質結構。 基于材料創新的特點是,利益終端如系統集成商和原始設備制造商與材料研發投入的脫鈎。此外,最終産品中通常隻需要少量的材料,這給材料生産商建立可行的商業模式帶來了額外的挑戰。例如,一個300mm的石墨烯晶圓隻需要少于0.1mg的石墨烯,并且可以創造出數千個器件。同樣,在聚合物複合材料中,僅需要包含少量體積百分比的石墨烯就可使導電率提高幾個數量級,并且機械性能提高100%以上。石墨烯行業是一個很好的說明這個問題的例子。盡管如此,新材料作為許多行業的推動者,在能源、機械、汽車和醫療設備等許多重要領域的可持續轉型中起着關鍵作用。面對如此巨大的挑戰,早期的工作通常需要公共資金的支持。就GRMs而言,歐洲石墨烯旗艦計劃以及在中國,韓國,美國和日本的類似計劃發揮了這一作用。創新支持行動關鍵的要求是通過技術和創新路線圖(例如用于矽的ITRS和GRM路線圖)來識别和表征創新的戰略目标區域,做市場布局。
                                                     圖1. 全球石墨烯市場的曆史和預期收入
     市場信息是定義此類路線圖的技術要求的重要組成部分。以石墨烯為例,有許多市場可供研究選擇,市場價值估計範圍很廣,2025年的市場價值從約1.8億美元到21億美元不等。為了挖掘發展趨勢,我們将2013年和2019年20個市場調研的結果合并到一個市場分析圖中。可以預測到2025年平均增長率約達40%,如圖1a所示。這也表明全球市場需求從2015年的1500–5000萬美元,到2025年左右約可以達到2–20億美元。需要注意的是,圖中描繪的是“石墨烯的市場價值”。在這裡,這些預測的數字代表的是材料本身而不是最終産品的收益。這有很大的區别,比如2018年矽晶圓的市場為90億美元,而由矽芯片推動的智能手機全球銷售額超過5000億美元。假設比率相似,石墨烯産品的總市值應該比圖1大100倍。另外,這些市場研究中的數字是如何得出的,每個提供者都有一套自己的(或多或少保密的)方式來估算。大多數情況下,它們是基于當前的市場價格、産量以及各專家和生産者的估計得到的。大多數數據提供者聲稱進行了廣泛的背景研究,并且對許多公司與主要參與者進行了電話(或個人)采訪。但是我們無法評估這些方法的有效性。因此:(1)我們假設這些數據代表的是石墨烯材料的價值/收入,而不包括石墨烯最終産品;(2)我們假設通過對(理想情況下)整個石墨烯生産部門,當前價格和産量進行映射(與理想情況下該領域的所有相關參與者進行交談)來計算/估算這些數字;(3)我們需要這些估算,并且不知道其準确性。
                                      圖2. 到2025年,将石墨烯市場按用途分類
     石墨烯應用領域多種多樣。盡管有些産品已經或即将進入市場,例如塗料和複合材料,但許多應用需要更多的時間和研發投入。為了比較石墨烯在不同領域中的應用潛力,研究者們比較了按不同應用場景對2025年的市場預測。圖2展示了複合年增長率(CAGR)與不同應用領域盈利預測的關系圖。普遍認為,石墨烯在電池和超級電容器等儲能器件應用(黃色方塊)中具有很高的市場潛力(> 1億美元)。石墨烯複合材料和導電膜/電極(藍色方塊)預計将會有較高的複合年增長率(〜30%)和較高的盈利,而石墨烯基(光電)電子和傳感器(灰色方塊)預計将具有> 20%的較高的增長率,但盈利不高。随着越來越多的産品進入市場,石墨烯的研發(黑方塊)預計将以約0%的恒定複合年增長率持續增長,這表明石墨烯可能在某些領域已經超出了單純的研發階段。
     在歐洲,已有數十種基于石墨烯的器件設備即将或已經進入市場。大多數與材料和中間體的生産相關,包括具有成本效益的大規模生産GRMs系統。利用石墨烯的組件和系統也已進入市場。例如,從可見光(400 nm)到近紅外/短波紅外光(1800 nm)的寬光譜範圍内具有低噪聲的石墨烯光電探測器,霍爾效應傳感器和可以減輕重量并節省燃油的石墨烯增強複合材料飛機的水平尾翼,耐腐蝕的石墨烯增強樹脂已經在化工廠中用于替代金屬,從而節省了成本和重量。歐洲已經建立了數十家新的初創企業和衍生企業。在世界範圍内數量則更多。例如在中國,成千上萬的公司聲稱正在實現石墨烯的商業化。但是,我們正在進入并購時代,許多此類公司将無法生存或将被合并。隻有遵循公認的标準化和驗證以及健康和安全程序的公司才能長期生存。
     僅利用“石墨烯”一詞來标榜産品的新穎度是不夠的,事實上,大多數“石墨烯”生産商出售的材料與理想石墨烯幾乎不相關。這并不是說除非使用完美的單層石墨烯,否則不應該聲稱該産品是基于石墨烯的。隻是說生産者應該公開并明确說明他們采用的是什麼。氧化石墨烯,有缺陷或功能化的石墨烯,包含厚的多層石墨烯薄片的粉末或油墨等存在巨大的機會,對此人們不應該忽略它們而聲稱其為石墨烯。
     基于GRM設備的最終性能必須明顯優于現有技術,盡管在複合材料或油墨領域,百分之幾的改進就足以引起了人們的興趣,但在(光電)電子領域,一個新産品想要與現有标準技術相比具有競争力,需要有幾個數量級的性能提升。石墨烯類材料最有潛力的應用領域不是相對于現有技術的改進,而是開拓一個石墨烯類材料本身支持度新領域。例如,石墨烯中的無質量狄拉克費米子使其成為光電子學的理想材料,可實現寬帶,高速和低功耗。這使得石墨烯适合創造現有半導體技術所不允許的新器件。
     對于石墨烯的未來工業化路線,我們預測短期(<5年)的應用将在材料領域(例如,複合材料,油墨和塗料);中期(5-10年)應用在能源領域(例如,電池,太陽能電池)和光電領域(例如,用于5G的光開關和調制器以及傳感器);在未來的5-15年中,這些應用市場将進一步擴大,性能提升的建築材料,用于水淨化的膜,用于超級電容器的電極,柔性太陽能電池,用于物聯網的傳感器以及自動駕駛都将受益于石墨烯。在未來(約15-30年),我們還将看到醫療設備利用石墨烯的特性,而層狀材料是量子技術的新平台。
     在石墨烯被發現十五年之後的今天,期望廣泛的市場滲透是不現實的。石墨烯的确具有獨特的性質,但是,它本質上與其他新材料沒有什麼不同,其他新材料至少需要30年并需要大量投資才能産生巨大的市場影響。創建創新生态系統并提供整體創新支持是促進石墨烯商業化的關鍵因素。盡管如此,其第一個相關應用已經進入市場,預計在未來15年内将有更多基于石墨烯的創新,并且商業規模化或大面積生産方法正在逐步發展。
     一切才剛剛開始。
     參考文獻:Graphene is on track to deliver on its promises
     作者:T. Reiss, K. Hjelt & A. C. Ferrari
     鍊接:https://doi.org/10.1038/s41565-019-0557-0

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