1.3　石墨烯的研究現狀

作為一種具有特殊性質的新興材料，石墨烯在電子、光電、光子器件中均嶄露頭角，顯示了廣闊的應用前景［35-37］。石墨烯未來的應用領域十分廣闊，包括導電墨水、化學傳感器、發光器件、復合材料、太陽能發電及電池超級電容、柔性觸摸屏、高頻晶體管［38］等，如圖1.3所示。

圖1.3　石墨烯在不同領域的應用展望概況［37］

有學者預測了石墨烯在電、光領域的應用前景［39］，分別如圖1.4（a）、（b）所示。前者包括柔性電子器件，如彎曲觸摸屏、彎曲電子紙、可折疊OLED，另外，石墨烯電子遷移率高，能夠應用于高頻晶體管、邏輯晶體管等；后者的應用包括光電探測器（帶寬可以覆蓋紅外到紫外范圍）、光電調制器（相位、幅度、極化）、鎖模激光器、極化控制器（偏振、極化旋轉）等。2015年，納米領域的著名期刊Nanoscale也刊登了一篇來自世界各地的60余位權威學者聯合撰寫的兩百余頁的綜述文章，充分總結了10年來石墨烯研究的進展，并提出了石墨烯及其相關材料的未來發展科技“路線圖”［37］。

圖1.4　石墨烯在“電”（a）與“光”（b）領域的應用前景展望［39］

基于石墨烯的復合材料、涂層也具有廣闊的應用前景，如導電墨水、抗靜電與電磁干擾屏蔽、氣體阻隔。另外，石墨烯發電與存儲的技術也發展迅猛。在發電方面，石墨烯扮演的角色可以是一種活性介質（Active Medium），此時石墨烯的特性與光電探測一樣，在寬頻譜范圍內吸收光能，但是由于石墨烯本身對光的吸收能力較弱，因此這種情形下需要設計復雜干涉或者等離激元增強結構；也有研究人員將石墨烯當作一種透明材料或者分布式的電極材料，將石墨烯用作量子點或者染料敏化太陽能電池。在電能存儲方面，基于石墨烯的下一代鋰電池技術將引發革命性影響，傳統的鋰電池陰極材料電導率很低，因此要添加石墨、碳黑等材料改善。石墨烯不但可以充當片狀形態的導電填充劑，也可以當作新型核殼、“三明治”復合結構，這類全新的填充劑可使導電特性得到極大的改善，可增加鋰電池的功率密度。石墨烯出色的熱導電特性還能解決電池發熱的問題。除了將石墨烯與鋰電池結合設計儲能裝置，研究人員還在探索基于石墨烯的超級電容器，石墨烯薄片可以充當納米尺度的電極與電解質分割面，因而單位體積的儲能裝置可以存儲更多靜電荷，能量密度更大。

不論是單獨的石墨烯或是與其他材料混合成的復合結構，均表現出優異的特性；此外，其形態比較靈活，既可以與傳統的硅基平面集成電路兼容，又可以作為復合涂料、溶劑等材料使用，應用前景十分廣闊；且構成成分為碳，是地球上來源廣泛的原料，不僅成本低，而且綠色環保。來自歐盟、美國、英國、日本、韓國等國家和地區的許多研究機構與公司對石墨烯展開了一系列的研究。其中比較有代表性的有:①歐盟于2013年啟動了一項歷時十年的石墨烯旗艦項目，預計總投資10億歐元，其目的在于推動石墨烯從實驗室走向商業應用，發展更多相關的新技術。②美國國防高級研究計劃局（DARPA）的超高速石墨烯晶體管計劃，以及石墨烯紅外探測和熱傳感器項目；美國空軍及國家自然科學基金會（NSF）投資的石墨烯先進二維材料項目，2006年，NSF關于石墨烯的資助項目已超過200項，其中包括石墨烯超級電容器應用、石墨烯連續和大規模納米制造等。③英國政府聯合多所大學和研究機構在曼徹斯特大學建造國家級科研機構——英國國家石墨烯研究院，由獲得2010年諾貝爾物理學獎的英國曼徹斯特大學教授A.K.Geim和K.S.Novoselov負責領導，加速石墨烯的商業化進程，該研究院已成為世界領先的石墨烯研究和商業化中心。④日本學術振興機構從2007年開始對石墨烯硅材料、器件的技術進行資助。⑤韓國政府把石墨烯材料及產品定為未來革新產業之一，2012—2018年，原知識經濟部預計將向石墨烯提供2.5億美元的資助，其中1.24億美元用于技術研發，其余用于商業化研究。巨大的投入先后催生了一系列成果和科學突破，如石墨烯視網膜植入、海水淡化、紅外光電探測器、超級電池、石墨烯增強橡膠等，也孵化了一批如夜視傳感器廠商Emberion、石墨烯場效晶體管芯片（GFET）廠商Graphenea、石墨烯基鋰硅電池廠商BeDimensional、石墨烯生物傳感器廠商Grapheal、石墨烯快捷支付廠商Payper等的新興企業。