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石墨烯的時代,還沒有到來
2016-04-20 14:16:47 成都愛法納米技術有限公司 www.qgzydb.live
前不久,任正非在接受媒體采訪時聲稱,未來10至20年內會爆發一場技術革命,“我認為這個時代將來最大的顛覆,是石墨烯時代顛覆硅時代”,“現在芯片有極限寬度,硅的極限是七納米,已經臨近邊界了,石墨是技術革命前沿”。這里提到的石墨烯,究竟是何方神圣?它真的能帶來顛覆嗎?


掃描電鏡下的石墨烯,顯示出其碳原子組成的六邊形結構。圖片來源:Lawrence Berkley National Laboratory

石墨烯——一種只有一個原子厚的二維碳膜——的確是種令人驚訝的材料。雖然名字里帶有石墨二字,但它既不依賴石墨儲量也完全不是石墨的特性:石墨烯導電性強、可彎折、機械強度好,看起來頗有未來神奇材料的風范。如果再把它的潛在用途開個清單——保護涂層,透明可彎折電子元件,超大容量電容器,等等——那簡直是改變世界的發明。連2010年諾貝爾物理學獎都授予了它呢!

但它誕生至今都十年了,我的透明手機在哪呢?

其實就在2012年,因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)和他的同事曾經在《自然》上發表文章討論石墨烯的未來,兩年來的發展也基本證明了他們的預測。他認為作為一種材料,石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”,雖然將來它也許能發揮重大作用,但是在克服幾個重大困難之前,這一場景還不會到來。更重要的是,考慮到產業更新的巨大成本,石墨烯的好處可能不足以讓它簡單地取代現有的設備——它的真正前景,或許在于為它的獨到特性量身定做的全新應用場合。

石墨烯到底是什么?

石墨烯是人們發現的第一種由單層原子構成的材料。碳原子之間相互連接成六角網格。鉛筆里用的石墨就相當于無數層石墨烯疊在一起,而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

石墨、石墨烯、碳納米管和球烯之間的關系。圖片來源:enago.com

由于碳原子之間化學鍵的特性,石墨烯很頑強:可以彎曲到很大角度而不斷裂,還能抵抗很高的壓力。而因為只有一層原子,電子的運動被限制在一個平面上,為它帶來了全新的電學屬性。石墨烯在可見光下透明,但不透氣。這些特征使得它非常適合作為保護層和透明電子產品的原料。

但是適合歸適合,真的做出來還沒那么快。

問題之一:制備方式。

許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征,但有一個陷阱。這些美妙的特性對樣品質量要求非常高。要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品,需要最費時費力費錢的手段:機械剝離法——用膠帶粘到石墨上,手工把石墨烯剝下來。

別笑,2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。

諾沃肖洛夫團隊捐贈給斯德哥爾摩的石墨、石墨烯和膠帶。膠帶上的簽名“Andre Geim”就是和諾沃肖洛夫一同獲得諾貝爾獎的人。圖片來源:wikipedia

雖然所需的設備和技術含量看起來都很低,但問題是成功率更低,弄點兒樣品做研究還可以,工業化生產?開玩笑。要論產業化,這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦,一天又能剝下來幾片……

當然現在我們有了很多其他方法,能增加產量、降低成本——麻煩是這些辦法的產品質量又掉下去了。我們有液相剝離法:把石墨或者類似的含碳材料放進表面張力超高的液體里,然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學氣相沉積法:讓含碳的氣體在銅表面上冷凝,形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法,在兩層硅中間直接設法長出一層石墨烯來。還有化學氧化還原法,靠氧原子的插入把石墨片層分離,如此等等。方法有很多,也各自有各自的適用范圍,但是迄今為止還沒有真的能適合工業化大規模推廣生產的技術。

這些辦法為什么做不出高質量的石墨烯?舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環,但在邊緣部分往往會被打亂,成為五元或七元環。這看起來沒啥大不了的,但是化學氣相沉積法產生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點上生長出來的一片。它其實是多個點同時生長產生的“多晶”,而沒有辦法能保證這多個點長出來的小片都能完整對齊。于是,這些畸形環不但分布在邊緣,還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內部,成為結構弱點、容易斷裂。更糟糕的是,石墨烯的這種斷裂點不像多晶金屬那樣會自我愈合,而很可能要一直延伸下去。結果是整個石墨烯的強度要減半。材料是個麻煩的領域,想魚與熊掌兼得不是不可能,但肯定沒有那么快。

顯微鏡下的一塊石墨烯,偽色標記。每一“色塊”代表一片石墨烯“單晶”。圖片來源:Cornell.edu

問題之二:電學性能。

石墨烯一個有前景的方向是顯示設備——觸屏,電子紙,等等。但是目前而言石墨烯和金屬電極的接觸點電阻很難對付。諾沃肖洛夫估計這個問題能在十年之內解決。

但是為啥我們不能干脆拋棄金屬,全用石墨烯呢?這就是它在電子產品領域里最致命的問題。現代電子產品全部是建筑在半導體晶體管之上,而它有一個關鍵屬性稱為“帶隙”:電子導電能帶和非導電能帶之間的區間。正因為有了這個區間,電流的流動才能有非對稱性,電路才能有開和關兩種狀態——可是,石墨烯的導電性能實在太好了,它沒有這個帶隙,只能開不能關。只有電線沒有邏輯電路是毫無用途的。所以要想靠石墨烯創造未來電子產品,取代硅基的晶體管,我們必須人工植入一個帶隙——但是簡單植入又會使石墨烯喪失它的獨特屬性。目前針對這個領域的研究的確不少:多層復合材料,添加其他元素,改變結構等等;但是諾沃肖洛夫等人認為這個問題要真正解決,還要至少十年。

問題之三:環境風險。

石墨烯產業還有一個意想不到的麻煩:污染。石墨烯產業目前最成熟的產品之一可能是所謂“氧化石墨烯納米顆粒”,它很便宜,雖不能用來做電池、可彎折觸屏等高端領域,作為電子紙等用途倒是相當不錯;可是這東西對人體很可能是有毒的。有毒不要緊,只要它老老實實呆在電子產品里,那就沒有任何問題;可是前不久研究者剛發現它在地表水里非常穩定、極易擴散。雖然現在對它的環境影響下斷言還為時太早,但這的確是個潛在問題。

所以,石墨烯的命運究竟如何?

鑒于過去幾個月里學界并無新的突破性進展,近日它的這波突發性“火熱”,恐怕本質上還是資本運行的炒作結果,應審慎對待。作為工業技術,石墨烯看起來還有許多未能克服的困難。諾沃肖洛夫指出,目前石墨烯的應用還是受限于材料生產,所以那些使用最低級最廉價石墨烯的產品(譬如氧化石墨烯納米顆粒),會最先面世,可能只需幾年;但是那些依賴于高純度石墨烯的產品可能還要數十年才能開發出來。對于它能否取代現有的產品線,諾沃肖洛夫依然心存疑慮。

另一方面,如果商業領域過度夸大其神奇之處,可能會導致石墨烯產業變成泡沫;一旦破裂,那么也許技術和工業的進展也無法拯救它。科學作者菲利普·巴爾曾經在《衛報》上撰文《不要期望石墨烯帶來奇跡》,指出所有的材料都有其適用范圍:鋼堅硬而沉重,木頭輕便但易腐,就算看似“萬能”的塑料其實也是種種大相徑庭的高分子各顯神通。石墨烯一定會發揮巨大的作用,但是沒有理由認為它能成為奇跡材料、改變整個世界。或者,用諾沃肖洛夫自己的話說:“石墨烯的真正潛能只有在全新的應用領域里才能充分展現:那些設計時就充分考慮了這一材料特性的產品,而不是用來替代現有產品里的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折疊電子產品,可折疊太陽能電池,和超級電容器等等新領域能否發揮它的潛能,就讓我們平心靜氣拭目以待吧。(編輯:Calo)

參考文獻

K. S. Novoselov et al.(2012). A roadmap for graphene. Nature 490, 192–200 (11 October 2012) doi:10.1038/nature11458
Zhigong Song et al. (2013).Pseudo Hall–Petch Strength Reduction in Polycrystalline Graphene. Nano Lett., 2013, 13 (4), pp 1829–1833 doi: 10.1021/nl400542n
A Schinwald et al.(2012) Graphene-Based Nanoplatelets: A New Risk to the Respiratory System as a Consequence of Their Unusual Aerodynamic Properties. ACS Nano, 2012, 6, 736 DOI: 10.1021/nn204229f
Lanphere Jacob D.et al.(2014) Stability and Transport of Graphene Oxide Nanoparticles in Groundwater and Surface Water. Environmental Engineering Science. doi:10.1089/ees.2013.0392.
Matthew Francis, The Graphene Age isn't (quite) here yet. Ars Tecnica, 17 October 2012
Philip Ball, Don't expect graphene to perform miracles. The Guardian, 28 December 2012
 

 
         
         
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