北京大学，Science！

学术 2024-10-12 21:30 广东

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石墨烯的发现在20年前引发了一波炒作，数十亿美元的研发资金流向了大学和创业公司，试图将碳的原子薄层商业化。最近，所谓的神奇材料的市场似乎正在增长，不仅用于石墨烯单层，还用于氧化石墨烯（GO）和石墨烯纳米片（GNP）。

石墨烯是一种由碳原子以蜂窝状结构排列组成的单原子层对这种非凡材料的研究已经从实验台发展到大规模生产和商业应用。石墨烯以其广泛的奇异特性而闻名，包括比铜高出70%的电导率、室温下比热解石墨高出一倍多的热导率，以及比钢铁强200倍的强度（重量仅为钢铁的六分之一）。这些属性使得石墨烯及其衍生物非常适合用于电子、结构和生物医学等领域。然而，石墨烯更广泛的工业应用尚未实现。

正如2004年诺沃肖洛夫等人的开创性论文中所描述的，通过机械剥离高定向热解石墨使用胶带产生了单层石墨烯片。这种新材料展现出了引人注目的特性。作者观察到了强烈的双极性电场效应，在施加栅极电压时能够切换正负电荷的能力。他们还注意到了与电子或空穴在材料中移动速度相关的高室温载流子迁移率。这些特性使得石墨烯在电子应用方面具有前景。尽管机械剥离过程产生了纯净的石墨烯，但它只产生了尺寸从几十到几百微米不等的小片。因此，早期的石墨烯研究集中在通过在金属基底上使用含碳前体进行化学气相沉积来合成高质量单层或多层石墨烯的连续形式。然而，生产规模有限、不同批次之间的质量差异大，以及缺乏可靠的方法将石墨烯从一种基底转移到另一种基底，这些都减缓了高质量石墨烯薄膜在电子设备中的应用。

在此，北京大学林立特聘研究员等人总结了石墨烯的发展过程，强调了学术界和工业界的需求之间仍然存在巨大差距。指出需要更紧密的合作来缩小这一差距。特别是，一个全面的标准体系应包括与应用相关的等级，以指导产品及其进入特定市场，例如特定功能的特定特性和相应的测量方法。这些标准应通过研究人员、制造公司和应用企业之间的合作来起草。

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石墨烯研究和商业化的最初重点集中在其衍生物上，如石墨烯纳米片（由堆叠层组成的二维粒子）、具有功能性氧基团的石墨烯氧化物，以及去除氧基团的还原氧化石墨烯。这些相对于主要是通过胶带机械剥离石墨生产的纯净对应物来说，更容易大量生产，但在产品中产生了大量缺陷。因此，石墨烯的潜在应用转向了那些可以容忍结构缺陷但仍然能够从石墨烯衍生物的强度和轻质中受益的领域，如复合材料、涂层和增强材料。例如，石墨烯纳米片已用于防腐涂层、阻燃剂和电磁屏蔽材料，这些都接近商业化。此外，足够高的导电性、电化学稳定性和多孔结构赋予了石墨烯衍生物用于能量存储和转换设备的潜力。

图1. 自石墨烯被发现以来的关键进展。

从电子产品应用的角度来看，石墨烯与现有微加工设施和技术的兼容性，对于基于硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术至关重要。然而，由于生长过程中会形成碳化物等杂质，石墨烯在硅/二氧化硅基板上的共形生长很困难。此外，非晶硅基板无法分解含碳前体，导致石墨烯薄膜的缺陷密度很高。通过引入气相金属催化剂提高了催化能力，但优化在硅基板上大规模生产石墨烯的生长参数仍然具有挑战性。

一个绕过硅基板挑战的解决方案是，在单独的基板上生长石墨烯，然后将其转移到硅表面。然而，这种方法经常会产生裂纹、石墨烯片的皱纹和折叠等缺陷，这些缺陷会造成设备间的巨大变化，并影响生产产量。这些不完美之处还改变了介电材料与石墨烯的集成。由于介电材料是具有高电阻率的电荷存储材料，它们决定了基于石墨烯的电子产品的性能和工作稳定性。被转移相关残留物和孔洞（一种电子缺陷）污染的石墨烯-介电界面会恶化石墨烯薄膜的载流子迁移率。随着设备的微型化，即使是小缺陷也会严重恶化性能。

然而，这些技术只在实验室规模上进行了测试，需要在工业规模上进行仔细测试。因此，石墨烯产品的商业化主要依赖于学术界和工业界的合作。商业化石墨烯及其衍生物的一个主要挑战是，有限生产量的生产成本很高。甲烷气体或原始石墨粉末等原材料只占总成本的一小部分。相反，大规模批量生产和处理合成石墨烯的设备设计占大部分初始投资。因此，工业界被推向需要较少投资就能显著提高性能的高利润应用，与设备用高质量石墨烯薄膜相比。工业生产方法的变化导致石墨烯产品的性能和性能存在很大差异。这强调了为石墨烯及其衍生物开发标准的必要性。因此，开发高通量表征对于测量属性以筛选出不符合标准的产品至关重要。

文献信息

Yixuan Zhao, Li Lin, Graphene, beyond lab benches, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads4149

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