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颠覆硅时代石墨烯究竟是何方神圣

2019/08/15 来源:大庆信息港

导读

前不久,任正非在接受媒体采访时声称,未来10至20年内会爆发一场技术革命, 我认为这个时代将来的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代 , 现在芯

  前不久,任正非在接受媒体采访时声称,未来10至20年内会爆发一场技术革命, 我认为这个时代将来的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代 , 现在芯片有极限宽度,硅的极限是七纳米,已经临近边界了,石墨是技术革命前沿 。这里提到的石墨烯,究竟是何方神圣?它真的能带来颠覆吗?

  石墨烯 一种只有一个原子厚的二维碳膜 的确是种令人惊讶的材料。虽然名字里带有石墨二字,但它既不依赖石墨储量也完全不是石墨的特性:石墨烯导电性强、可弯折、机械强度好,看起来颇有未来神奇材料的风范。如果再把它的潜在用途开个清单 保护涂层,透明可弯折电子元件,超大容量电容器,等等 那简直是改变世界的发明。连2010年诺贝尔物理学奖都授予了它呢!

  但它诞生至今都十年了,我的透明在哪呢?

  其实就在2012年,因石墨烯而获得诺贝尔奖的康斯坦丁 诺沃肖洛夫和他的同事曾经在《自然》上发表文章讨论石墨烯的未来,两年来的发展也基本证明了他们的预测。他认为作为一种材料,石墨烯 前途是光明的、道路是曲折的 ,虽然将来它也许能发挥重大作用,但是在克服几个重大困难之前,这一场景还不会到来。更重要的是,考虑到产业更新的巨大成本,石墨烯的好处可能不足以让它简单地取代现有的设备 它的真正前景,或许在于为它的独到特性量身定做的全新应用场合。

  石墨烯到底是什么?

  石墨烯是人们发现的种由单层原子构成的材料。碳原子之间相互连接成六角格。铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起,而碳纳米管就是石墨烯卷成了筒状。

  由于碳原子之间化学键的特性,石墨烯很顽强:可以弯曲到很大角度而不断裂,还能抵抗很高的压力。而因为只有一层原子,电子的运动被限制在一个平面上,为它带来了全新的电学属性。石墨烯在可见光下透明,但不透气。这些特征使得它非常适合作为保护层和透明电子产品的原料。

  但是适合归适合,真的做出来还没那么快。

  问题之一:制备方式

  许多项研究向我们展示了石墨烯的惊人特征,但有一个陷阱。这些美妙的特性对样品质量要求非常高。要想获得电学和机械性能都的石墨烯样品,需要费时费力费钱的手段:机械剥离法 用胶带粘到石墨上,手工把石墨烯剥下来。

  别笑,2004年诺沃肖洛夫他们就是这么制备出石墨烯的。

  虽然所需的设备和技术含量看起来都很低,但问题是成功率更低,弄点儿样品做研究还可以,工业化生产?开玩笑。要论产业化,这手段毫无用途。哪怕你掌握了全世界的石墨矿,一天又能剥下来几片

  当然现在我们有了很多其他方法,能增加产量、降低成本 麻烦是这些办法的产品质量又掉下去了。我们有液相剥离法:把石墨或者类似的含碳材料放进表面 超高的液体里,然后超声轰炸把石墨烯雪花炸下来。我们有化学气相沉积法:让含碳的气体在铜表面上冷凝,形成的石墨烯薄层再剥下来。我们还有直接生长法,在两层硅中间直接设法长出一层石墨烯来。还有化学氧化还原法,靠氧原子的插入把石墨片层分离,如此等等。方法有很多,也各自有各自的适用范围,但是迄今为止还没有真的能适合工业化大规模推广生产的技术。

  这些办法为什么做不出高质量的石墨烯?举个例子。虽然一片石墨烯的中央部分是完美的六元环,但在边缘部分往往会被打乱,成为五元或七元环。这看起来没啥大不了的,但是化学气相沉积法产生的 一片 石墨烯并不真的是完整的、从一点上生长出来的一片。它其实是多个点同时生长产生的 多晶 ,而没有办法能保证这多个点长出来的小片都能完整对齐。

  于是,这些畸形环不但分布在边缘,还存在于每 一片 这样做出来的石墨烯内部,成为结构弱点、容易断裂。更糟糕的是,石墨烯的这种断裂点不像多晶金属那样会自我愈合,而很可能要一直延伸下去。结果是整个石墨烯的强度要减半。材料是个麻烦的领域,想鱼与熊掌兼得不是不可能,但肯定没有那么快。

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