神奇材料石墨烯和石墨烯时代（二）

徐长发，华中科技大学，2017.2.10

本文续接神奇材料石墨烯和石墨烯时代（一）

六．石墨烯的表面吸附功能及其应用

石墨烯很薄，很轻，其比表面积超大，即1克重的石墨烯展开后的面积为2630平方米。也就是说，石墨烯拥有超强的表面吸附性。这种特性可用于制造超级电容。

传统的大容量电容是把碳粉放在电解质中，碳粉的表面积大，吸附的电荷量也大。这种电容虽然电容量大，但放电很慢，不便实用。现在有了石墨烯，它很薄，表面积超大，导电性超好，把石墨烯附着在绝缘的凝胶薄膜上，加上电解质，卷起来就可以做成超级电容，称为石墨烯超级电容。

我国也研制出了石墨烯超级电容，不久便会上市。

石墨烯超级电容的特点是电容量大，充电非常快，放电也非常快，使用寿命长。这个特点正好适用于激光武器。超级电容要用于驱动车辆，还必须加上一个缓放电装置，这是不难做到的工作。因此，石墨烯超级电容的应用前景巨大，不久就会普及应用了。

石墨烯超级防水的塑料包装膜。传统的塑料包装对于一般商品如工具、衣服和非电子类的东西都能抵御一定的水汽。但是电子设备，电子器件，尤其是需要长时间储存的那些东西，传统的塑料包装还不能十分满意。因为石墨烯本身是网状的，其网孔直径约为0.14纳米，比水分子直径0.4纳米要小，水分子不能穿过石墨烯。于是，我国的研究者将单层石墨烯与塑料聚合物膜结合在一起，制成了石墨烯防水塑料，其防水性能比传统的要好一百万倍。而且，他们所用的方法易于完成，能拓展到大规模生产上。

石墨烯超纳米过滤膜。从石墨上揭下来的石墨烯的网孔直径约为0.14纳米，钠离子的直径为0.2纳米，其他离子和分子的直径都比水分子直径大。但是，通过加入一些金属离子氧化再用化学还原法，把氧化石墨烯还原为石墨烯，并制成超纳米过滤膜。这种膜的孔洞直径约1到2纳米，有望用于污水处理和海水淡化。

利用石墨烯的导电性、阻隔性能、防腐性能，还可以制成石墨烯电磁屏蔽涂料，石墨烯抗静电涂料等。

七．石墨烯的导电特性和透明特性的应用

石墨烯像一张很薄的网，透光率达到97.7%，也就是说石墨烯几乎是透明的；另外石墨烯的导电性能极好。利用这两个特性可以做出很多特殊的产品。

石墨烯玻璃。将石墨烯附着在玻璃上，便制造出一种新型复合材料—石墨烯玻璃。它既能保持玻璃本身透光性好的优点，又能将石墨烯超高导电性、导热性和表面疏水等优异特性赋予玻璃。它有望极大地拓展玻璃的应用空间，引发玻璃产业从大批量低附加值的应用到节约型高附加值应用的革命性转变。

柔软的透明的电极。在很多电器里，都需要用到透明的导电材料作为电极，例如电子表、计算器、电视机、液晶显示器、触摸屏、太阳能电池板等等诸多设备里都无法离开透明电极。传统的透明电极用的是氧化铟锡(简称ITO)，由于铟的价格高昂和供应受限，而且这种材料比较脆，缺乏柔韧性，并且制作电极过程中需要在真空中沉积，所以成本比较高，很长时间以来，科学家们都在致力于寻找它的替代品。对透明电极的要求除了透明、导电性好、容易制备等要求外，还要求材料本身的柔韧性比较好，适合用来做“电子纸”或者其它可以折叠的显示设备。而石墨烯正是这么一种材料，它非常合适来做透明电极。做出来的透明电极如图2和图3所示。

研究者先在铜箔上生长出一层石墨烯，再把石墨烯和热剥离型胶带粘在一起，然后用化学的方法把铜箔溶解掉，最后用加热的方法把石墨烯转移到PET薄膜上（聚对苯二甲酸乙二酯，简称PET）。

研究者在石墨烯上用规则排布的绝缘点阵把材料划分成小块块，在小块适当的位置印上银电极，再把两片对应地组装在一起就做成了弹性很好的触摸屏器件。当它同电脑上的控制软件连通时，它就能发挥触摸屏的作用了。

图2。 柔软的透明电极

图3。 透明电极做的触摸屏 

这个触摸屏的工作原理很容易理解。像图4中显示的那样，触摸屏由上下两层粘在PET薄膜上的石墨烯构成，没有接触的情况下，两层石墨烯被放置在中间的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在的时候，PET薄膜和石墨烯在压力下发生形变，这样上下两层石墨烯就发生接触，电路联通。接触的位置不同，器件边缘电极收集到的电信号也不一样，通过对电信号的分析，就可以确定是触摸屏上的哪个位置发生了接触。

图4.石墨烯触摸屏的工作原理示意图

现在，研究人员已经成功地获得了对角长度为30英寸的石墨烯，并将其转移到188微米厚的PET薄膜上，进而制造出了柔软的石墨烯触摸屏。

我国在这方面的研究也是全球领先的。这种柔软透明触控屏可以用于各类压力触控传感器上，用于智能移动终端电子产品上，可实现多级按压感应、轻按、轻击、指甲敲击、壳体振动等多项功能。

再说说传感器，触控式传感器只是一种，还有更多种类型的传感器。在基础学科研究中，传感器具有突出的地位，早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、生物工程以及文物保护等领域。由于石墨烯拥有较大的比表面积，吸附性能好，导电性能好，这些都是制作高灵敏度传感器的优越条件。但是迄今为止，关于石墨烯生物传感器方面的报道比较少，因此，在这里简要说明一下用石墨烯制作气体传感器的思路。石墨烯可将NO2、NH3、H2O，CO等气体吸附于石墨烯表面，这种吸附物可被看着外界加进来的电子，会改变石墨烯的导电表现。于是可用电传感检测器检测石墨烯表面电阻的变化来说明石墨烯的感知能力，从而说明吸附气体的种类和性质。

八．石墨烯太阳能电池被证明极具可行性

太阳能电池利用光伏材料将光转变为电，光伏材料有很多种，例如单晶硅，多晶硅，砷化镓，硒铟铜等，被普遍使用的是单晶硅。其发电原理是这样的。P型硅通过掺杂磷被称为N硅，形成P-N结，当受到阳光照射时，光生空穴（带正电）流向P区，光生电子（带负电）流向N区，带正电荷和带负电荷的粒子在P-N结两侧形成电位差，电路接通就形成电流。对于单晶硅来说光电转换效率最高可以达到10%。

光伏效应的效果受到两个方面的限制。一是射线的能量，简单说，射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。二是光伏材料的自身特性，某种半导体材料只能把局部频段范围内的射线转变为电流，例如单晶硅只能吸收0.4μm～1.1μm波长的太阳光。

现在对太阳能电池材料的研究越来越深入，例如一些聚合物也能作为太阳能电池的材料，常见的有聚乙烯基咔唑(PVK)、聚乙炔(PA)、聚对苯撑乙烯(PPV)以及聚噻吩(PTh)。

再说石墨烯材料 ，它的导电速度极快，具有量子隧道效应，也就是说，在电势的作用下，载流子从一边几乎以电波的速度到达另一边。但是，石墨烯不是半导体材料，没有P-N结。那么石墨烯能不能应用于太阳能电池呢？

石墨烯还有一种特殊的光电特性。当石墨烯被太阳光刺激时，可散发太赫兹（THz）范围的辐射，这种辐射的频率范围处于红外波和电磁波这一段，这种太赫兹辐射可以更有效地使半导体材料产生载流子。

要做太阳能电池，就要做出P-N结，掺杂是必须的。于是，研究者在基底层和石墨烯层之间加入掺杂材料，加热生出P-N结，这样就做出了石墨烯太阳能电池。

方法是很多的，有人把石墨烯直接覆盖在柔性的半导体聚合物上。也有人在石墨烯层和一般柔软基底层之间加入纳米半导体球（也就是把半导体做出纳米大小的球体）。等等。都可以做出石墨烯太阳能电池。

不过，目前做出的石墨烯太阳能电池的光电转化率只达到5-6%，还没有达到硅半导体的12%的效果。现在全球的研究者都在攻克这个难关，相信不久就会做出价格低，光电转化率较高，基底柔软的石墨烯太阳能电池膜。可以想象，这种太阳能电池膜可以到处使用，例如路灯灯的保护罩，农村蔬菜大棚顶罩，屋顶的采光窗等，应用前景十分广阔。

九.石墨烯超高速光电检测器

一般的光电传感器是把光信号转变为电信号，用于控制设备。例如路灯开关用光强控制。遥控器用不同频率的光，或者用不同脉冲和红外光的调制信号去控制所需要的开关。

特殊用途的光电传感器有更高的要求。例如红外摄像就要求对不同强度的红外线敏感地产生不同强度的电信号，高速摄像机就要求对不同强度的日光敏感地产生不同强度的电信号。这里有两个特别重要的指标，一是对那些光敏感，当然频率范围越宽越好；二是光电反应速度，当然是越快越好。

石墨烯超高速光电检测器。在两层石墨烯之间铺放掺杂物质，加工成P-N结，就得到了高速检测器。当不同频率的光照射时，光迅速加热石墨烯的电子，在掺杂物质和石墨烯的两个交界面处，电子热量迅速转为电压，由于石墨烯的高效导电性，这种光电转换立刻被检测出来。试验成果表明，这种光热电效应近乎同一时间呈现，将光电转化速度推到了极限，能在不到50飞秒（1秒的一千万亿分之一）的时间内将光转化为电信号，灵敏度是其同类探测器的10亿倍。更有甚者，因为石墨烯有一个特性，当它被光刺激时，可散发太赫兹（THz）范围的辐射，这位于红外光和电磁光谱中的微波辐射之间，所以在太赫兹范围内的光照射时，这个检测器都能快速反应，当然，石墨烯超高速光电检测器也能快速检测红外线和电磁波。参见图5.

该研究成果让石墨烯研究者再一次带来惊喜，因为它不仅把光电转化速度推到了极限，而且它让我们可以检测到更加宽广范围的光。这太有用了，红外摄像，夜视，日光摄像，电磁波摄像，这些波的快速摄像，观测微观世界到观测宇宙空间，都需要石墨烯超高速光电检测器的帮助。同样的，这项研究成果也可以在通讯、遥控、环境监测等方面具有广阔的应用前景。

把石墨烯超高速光电检测器稍加改造，就可以获得石墨烯超高速光电开关，和石墨烯超高速光电通讯设备。甚至于光子计算机都有思路了。

图5.石墨烯光电检测器示意

十．各类石墨烯应用研究层出不穷，石墨烯时代就要到来

石墨烯是纳米材料中的一种更神奇的材料。在科技发展的今天，在原子水平上研究材料，才会获得性能更好的材料。石墨烯的发现使人们在原子水平上认识到石墨烯本身就具有很多优异的特性，让全世界研究者着魔。作为一种性质独特的新兴材料，关于石墨烯应用的研究真是层出不穷。

有人研究石墨烯覆盖在不同的基底上会产生不同的效果。例如，当基底材料是二氧化硅时，石墨烯与某些特定的化学物质接触，便可以轻而易举地被“赋予特定功能”；但如果将支撑材料换成氮化硼，面对同样的化学物质，它几乎不发生化学反应。这就是说，基底材料可以控制石墨烯关闭或打开化学键，石墨烯可以是某种催化剂。

有人研究用石墨烯碎片做填料的复合材料。有人研究用石墨烯碎片做聚合材料。有人研究把金属原子嵌入石墨烯所产生的新材料。有人研究石墨烯的抗菌效果。有人研究石墨烯在生物和医疗方面的应用。特别的，有研究者采用石墨烯使得芯片主频达到近千G。等等。人们可以在网上搜索到非常多的研究报导。

至今，全球已经获批和正在申请的石墨烯专利就有1万多项。权威机构认为，未来5-10年将是全球石墨烯产业的高速发展期。那么，石墨烯时代距离我们还有多远呢？

我国在石墨烯的基础研究与产业化推进中还是处于世界前列的，多支研究队伍在石墨烯的性能研究与制备技术方面取得突破性成果。但是，技术力量太分散，投资还不足。

我国石墨矿储量占到世界总储量的75％，生产量约占世界总产量70％。目前，我国石墨烯企业已超过百家，并在常州、无锡、青岛、深圳等地形成产业群。就在唐山，全国首条年产100吨粉性石墨烯生产线已经投产。到2018年，重庆将建成中国石墨烯的最大生产基地之一，欲建设一批石墨烯重大项目的基础实施。

我国的工业和信息化部、国家发展改革委、科技部也十分重视石墨烯产业的发展，提出到2020年，要形成完善的石墨烯产业体系，实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化。

希望我国的石墨烯产业能在市场中占领先机。

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