回想起2014年的時(shí)候，當(dāng)中國(guó)的A股市場(chǎng)還徘徊在7年大熊市的尾部，石墨烯概念股卻集體逆勢(shì)飆升，風(fēng)頭一時(shí)無(wú)兩，轉(zhuǎn)瞬之間，這種新材料就成為了人們的一大熱議話題。作為一種比鋼鐵強(qiáng)韌200倍的新材料，石墨烯僅有一個(gè)原子的厚度，同時(shí)更兼具了彈性好、導(dǎo)電性強(qiáng)、透光率高等諸多優(yōu)質(zhì)性能于一身。

據(jù)了解，石墨烯本來(lái)就存在于自然界中，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。將石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。例如用鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

資料顯示，在2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而，如今相距被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)僅10余年時(shí)間，全球石墨烯制備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都處于起步階段。

由于石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，可謂“新材料之王”，也因此被譽(yù)為“黑金”。甚至有科學(xué)家預(yù)言，石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，從而極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

就是這如此多“光環(huán)”加持，“牛逼閃閃”的新材料，如今得到了又一新階段的研究成果，確實(shí)可喜可賀。小編今日就為大家談?wù)勥@種在我們LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用前景，也同樣廣受看好的新材料——“石墨烯”。

取代稀土元素？

近段時(shí)間，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者利用石墨烯進(jìn)行的研發(fā)就取得了重要進(jìn)步。首先是來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣清華大學(xué)的研究人員，他們?cè)凇禔CSNano》上發(fā)表了一篇文章，聲稱使用了稀土元素以外的材料制作出可以發(fā)白光的LED產(chǎn)品。

據(jù)介紹，這個(gè)LED是以堿金屬鍶為基礎(chǔ)，搭建了金屬有機(jī)框架(MOF)，在MOF的上下分別結(jié)合了石墨烯等材料，構(gòu)成了可以直接發(fā)出白光的LED。

這里提到的MOF，是由金屬離子和有機(jī)材料配合形成的。過(guò)去的20年，它被廣泛應(yīng)用做化學(xué)分離器、藥物輸送、氣體儲(chǔ)存、催化等領(lǐng)域。然而，因?yàn)镸OF一般多孔、導(dǎo)電性差的原因，一直以來(lái)在光電領(lǐng)域都極難見(jiàn)到這個(gè)材料。

事實(shí)上，在早期的研究過(guò)程中，可以發(fā)出白光的MOF基本都是由不同種稀土元素復(fù)合在一起。研究人員要解決以上問(wèn)題，就必須改用導(dǎo)電性能較好的元素，與此同時(shí)，這個(gè)元素也要能在激發(fā)下發(fā)射款頻段的光。于是研究者嘗試換用了有機(jī)配體，使用了堿土金屬鍶制備MOF材料。

他們表示，在MOF表面，加上了透明電極石墨烯，既提高了載流子遷移率，也不會(huì)特別影響光學(xué)性能。又由于石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，新型白光二極管的導(dǎo)熱性能更好。研究者在MOF材料外圍，還組合了石墨烯、二氧化硅、氧化鋅，使其在電驅(qū)動(dòng)可以發(fā)光。

使用MOF材料來(lái)制造發(fā)光器件，無(wú)疑給了人們一個(gè)全新的思路。測(cè)試的結(jié)果也表明，作為發(fā)光器件，其光線的顯示范圍非常接近于自然光，作為半導(dǎo)體器件，其穩(wěn)定性也較好，在測(cè)試的兩個(gè)月期間，幾乎沒(méi)有性能下降。

另一方面，這種材料更是別具環(huán)保意義。在如今稀土元素越來(lái)越少的狀況下，新型LED不使用稀有元素，大幅減少使用量，確實(shí)能夠起到節(jié)約資源的作用。此外，減少稀土元素的開(kāi)采，對(duì)因此而造成的環(huán)境污染，也能得到有效控制。

并且，由于新材料發(fā)射出的光線與自然光非常貼近，不會(huì)有強(qiáng)烈的藍(lán)色光出現(xiàn)。由于不用遮擋其他顏色光，發(fā)光效率得以大大提升。減少了電力的消耗，溫室氣體的排放量也會(huì)降低。

“零缺陷”的石墨烯

當(dāng)下，國(guó)際上有很多企業(yè)都在生產(chǎn)“石墨烯”，因其屬于二維材料，能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)“零缺陷”的高品質(zhì)石墨烯卻可謂少之又少。雖然石墨烯的發(fā)展前景備受看好，但從過(guò)去至今，全球研究人員一直都在尋找制造無(wú)缺陷石墨烯的低成本方法。好消息是，近日德國(guó)化學(xué)家對(duì)外宣布找到了一種廉價(jià)生產(chǎn)無(wú)缺陷石墨烯的方法。

消息指，目前的石墨烯制造技術(shù)，在產(chǎn)品的大小、面積和瑕疵(影響導(dǎo)電性)等方面都有待改良，因此半導(dǎo)體工業(yè)暫時(shí)還未真正應(yīng)用石墨烯。終于在近期，一支由AndreasHirsch教授領(lǐng)導(dǎo)的FAU研究團(tuán)隊(duì)在減少石墨烯的瑕疵這方面實(shí)現(xiàn)了突破。

據(jù)外媒報(bào)道，德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)(FAU)的化學(xué)家如今已率先成功地用石墨生產(chǎn)出了無(wú)缺陷石墨烯。這項(xiàng)研究成果最近發(fā)表在《自然通訊》上。

一直以來(lái)，常用的石墨烯傳統(tǒng)制造方法，都是采用石墨的化學(xué)剝脫。這種方法首先要將金屬離子嵌套在石墨(由碳構(gòu)成)中，形成插層化合物，再用溶劑把單層碳原子，也就是石墨烯分離下來(lái)，最后把穩(wěn)定后的石墨烯從溶劑中分離出來(lái)。問(wèn)題在于，在這個(gè)過(guò)程中，由于晶格中碳原子的水合或氧化作用，最終得到的石墨烯也就可能出現(xiàn)缺陷。

這次，F(xiàn)AU的研究人員利用添加劑苯甲腈，發(fā)現(xiàn)了一種直接用溶液制造無(wú)缺陷的石墨烯的方法。他們?cè)谶@種溶液中添加了苯甲腈，從而讓石墨烯能夠在不產(chǎn)生多余的官能團(tuán)的情況下被分離出來(lái)，因此得到的石墨烯是無(wú)缺陷的。

用這種方法制造出的石墨烯既能夠無(wú)缺陷地切割，也可以通過(guò)設(shè)定載流子的數(shù)量獲得特定電學(xué)性質(zhì)。用這種方法生產(chǎn)出來(lái)的石墨烯的質(zhì)量比以往任何方法都要高得多。令人欣慰的是，這項(xiàng)技術(shù)效率很高，成本卻較為低廉。

Hirsch教授稱，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于還原石墨烯合成領(lǐng)域的專家來(lái)說(shuō)具有突破意義，根據(jù)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，專家預(yù)計(jì)用濕化學(xué)剝脫法制造的石墨烯的方法會(huì)取得巨大進(jìn)步。比如，可以為半導(dǎo)體和感應(yīng)器技術(shù)切割無(wú)缺陷的石墨烯。

此外，F(xiàn)AU的研究人員設(shè)計(jì)的方法還具有另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：在反應(yīng)中，還原后的苯甲腈分子只要不接觸氧氣或水，它就會(huì)變成紅色。根據(jù)變色，研究人員就能很容易地用吸收測(cè)量法對(duì)載流子進(jìn)行計(jì)數(shù)。之前，只能通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)計(jì)算載流子數(shù)量。這意味著，石墨烯和電池研究人員現(xiàn)在有了測(cè)量充電狀態(tài)的新方法。

中國(guó)的概況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)有著世界上最龐大的石墨烯研究隊(duì)伍和全球三分之一的專利數(shù)量。目前，近20個(gè)石墨烯產(chǎn)業(yè)園在建或已經(jīng)建成，300多家企業(yè)從事石墨烯及相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)或?yàn)槠涮峁﹥x器設(shè)備。中國(guó)石墨烯行業(yè)正從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化過(guò)渡，未來(lái)有可能在觸摸屏、柔性電子器件等領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

因發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的物理學(xué)家安德烈·海姆表示，從世界范圍來(lái)看，各國(guó)在專利申請(qǐng)方面都存在共同問(wèn)題，即科研機(jī)構(gòu)申請(qǐng)的專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)企業(yè)，但真正做成商業(yè)化的較少。目前，在商業(yè)化應(yīng)用方面中國(guó)處于引領(lǐng)位置，這主要由于中國(guó)對(duì)石墨烯的發(fā)展非常重視和支持。

當(dāng)前在世界各國(guó)謀求新一輪科技與產(chǎn)業(yè)升級(jí)的大背景下，石墨烯材料的應(yīng)用研究已經(jīng)被許多國(guó)家提升至國(guó)家戰(zhàn)略高度。

目前，包括英國(guó)、美國(guó)、西班牙、韓國(guó)等國(guó)家均對(duì)石墨烯的研發(fā)投入大量資金。《中國(guó)制造2025》技術(shù)路線圖更是明確指出，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)“2020年形成百億產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2025年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億”的發(fā)展目標(biāo)。

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