回想起2014年的時候，當中國的A股市場還徘徊在7年大熊市的尾部，石墨烯概念股卻集體逆勢飆升，風(fēng)頭一時無兩，轉(zhuǎn)瞬之間，這種新材料就成為了人們的一大熱議話題。作為一種比鋼鐵強韌200倍的新材料，石墨烯僅有一個原子的厚度，同時更兼具了彈性好、導(dǎo)電性強、透光率高等諸多優(yōu)質(zhì)性能于一身。
據(jù)了解，石墨烯本來就存在于自然界中，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。將石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。例如用鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
資料顯示，在2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。然而，如今相距被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)僅10余年時間，全球石墨烯制備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都處于起步階段。
由于石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，可謂“新材料之王”， 也因此被譽為“黑金”。甚至有科學(xué)家預(yù)言，石墨烯將“徹底改變21世紀”，從而極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。
就是這如此多“光環(huán)”加持，“牛逼閃閃”的新材料，如今得到了又一新階段的研究成果，確實可喜可賀。小編今日就為大家談?wù)勥@種在我們LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用前景，也同樣廣受看好的新材料——“石墨烯”。
取代稀土元素?
近段時間，國內(nèi)外的研究學(xué)者利用石墨烯進行的研發(fā)就取得了重要進步。首先是來自中國臺灣清華大學(xué)的研究人員，他們在《ACSNano》上發(fā)表了一篇文章，聲稱使用了稀土元素以外的材料制作出可以發(fā)白光的LED產(chǎn)品。
據(jù)介紹，這個LED是以堿金屬鍶為基礎(chǔ)，搭建了金屬有機框架(MOF)，在MOF的上下分別結(jié)合了石墨烯等材料，構(gòu)成了可以直接發(fā)出白光的LED。
這里提到的MOF，是由金屬離子和有機材料配合形成的。過去的20年，它被廣泛應(yīng)用做化學(xué)分離器、藥物輸送、氣體儲存、催化等領(lǐng)域。然而，因為MOF一般多孔、導(dǎo)電性差的原因，一直以來在光電領(lǐng)域都極難見到這個材料。
事實上，在早期的研究過程中，可以發(fā)出白光的MOF基本都是由不同種稀土元素復(fù)合在一起。研究人員要解決以上問題，就必須改用導(dǎo)電性能較好的元素，與此同時，這個元素也要能在激發(fā)下發(fā)射款頻段的光。于是研究者嘗試換用了有機配體，使用了堿土金屬鍶制備MOF材料。
他們表示，在MOF表面，加上了透明電極石墨烯，既提高了載流子遷移率，也不會特別影響光學(xué)性能。又由于石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，新型白光二極管的導(dǎo)熱性能更好。研究者在MOF材料外圍，還組合了石墨烯、二氧化硅、氧化鋅，使其在電驅(qū)動可以發(fā)光。
使用MOF材料來制造發(fā)光器件，無疑給了人們一個全新的思路。測試的結(jié)果也表明，作為發(fā)光器件，其光線的顯示范圍非常接近于自然光，作為半導(dǎo)體器件，其穩(wěn)定性也較好，在測試的兩個月期間，幾乎沒有性能下降。
另一方面，這種材料更是別具環(huán)保意義。在如今稀土元素越來越少的狀況下，新型LED不使用稀有元素，大幅減少使用量，確實能夠起到節(jié)約資源的作用。此外，減少稀土元素的開采，對因此而造成的環(huán)境污染，也能得到有效控制。
并且，由于新材料發(fā)射出的光線與自然光非常貼近，不會有強烈的藍色光出現(xiàn)。由于不用遮擋其他顏色光，發(fā)光效率得以大大提升。減少了電力的消耗，溫室氣體的排放量也會降低。
“零缺陷”的石墨烯
當下，國際上有很多企業(yè)都在生產(chǎn)“石墨烯”，因其屬于二維材料，能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)“零缺陷”的高品質(zhì)石墨烯卻可謂少之又少。雖然石墨烯的發(fā)展前景備受看好，但從過去至今，全球研究人員一直都在尋找制造無缺陷石墨烯的低成本方法。好消息是，近日德國化學(xué)家對外宣布找到了一種廉價生產(chǎn)無缺陷石墨烯的方法。
消息指， 目前的石墨烯制造技術(shù)，在產(chǎn)品的大小、面積和瑕疵(影響導(dǎo)電性)等方面都有待改良，因此半導(dǎo)體工業(yè)暫時還未真正應(yīng)用石墨烯。終于在近期，一支由AndreasHirsch教授領(lǐng)導(dǎo)的FAU研究團隊在減少石墨烯的瑕疵這方面實現(xiàn)了突破。
據(jù)外媒報道，德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)(FAU)的化學(xué)家如今已率先成功地用石墨生產(chǎn)出了無缺陷石墨烯。這項研究成果最近發(fā)表在《自然通訊》上。
一直以來，常用的石墨烯傳統(tǒng)制造方法，都是采用石墨的化學(xué)剝脫。這種方法首先要將金屬離子嵌套在石墨(由碳構(gòu)成)中，形成插層化合物，再用溶劑把單層碳原子，也就是石墨烯分離下來，最后把穩(wěn)定后的石墨烯從溶劑中分離出來。問題在于，在這個過程中，由于晶格中碳原子的水合或氧化作用，最終得到的石墨烯也就可能出現(xiàn)缺陷。
這次，F(xiàn)AU的研究人員利用添加劑苯甲腈，發(fā)現(xiàn)了一種直接用溶液制造無缺陷的石墨烯的方法。他們在這種溶液中添加了苯甲腈，從而讓石墨烯能夠在不產(chǎn)生多余的官能團的情況下被分離出來，因此得到的石墨烯是無缺陷的。
用這種方法制造出的石墨烯既能夠無缺陷地切割，也可以通過設(shè)定載流子的數(shù)量獲得特定電學(xué)性質(zhì)。用這種方法生產(chǎn)出來的石墨烯的質(zhì)量比以往任何方法都要高得多。令人欣慰的是，這項技術(shù)效率很高，成本卻較為低廉。
Hirsch教授稱，這個發(fā)現(xiàn)對于還原石墨烯合成領(lǐng)域的專家來說具有突破意義，根據(jù)這項發(fā)現(xiàn)，專家預(yù)計用濕化學(xué)剝脫法制造的石墨烯的方法會取得巨大進步。比如，可以為半導(dǎo)體和感應(yīng)器技術(shù)切割無缺陷的石墨烯。
此外，F(xiàn)AU的研究人員設(shè)計的方法還具有另一項優(yōu)勢：在反應(yīng)中，還原后的苯甲腈分子只要不接觸氧氣或水，它就會變成紅色。根據(jù)變色，研究人員就能很容易地用吸收測量法對載流子進行計數(shù)。之前，只能通過測量電壓來計算載流子數(shù)量。這意味著，石墨烯和電池研究人員現(xiàn)在有了測量充電狀態(tài)的新方法。
中國的概況
據(jù)統(tǒng)計，在中國有著世界上最龐大的石墨烯研究隊伍和全球三分之一的專利數(shù)量。目前，近20個石墨烯產(chǎn)業(yè)園在建或已經(jīng)建成，300多家企業(yè)從事石墨烯及相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)或為其提供儀器設(shè)備。中國石墨烯行業(yè)正從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化過渡，未來有可能在觸摸屏、柔性電子器件等領(lǐng)域率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
因發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的物理學(xué)家安德烈·海姆表示，從世界范圍來看，各國在專利申請方面都存在共同問題，即科研機構(gòu)申請的專利數(shù)量遠遠超過企業(yè)，但真正做成商業(yè)化的較少。目前，在商業(yè)化應(yīng)用方面中國處于引領(lǐng)位置，這主要由于中國對石墨烯的發(fā)展非常重視和支持。
當前在世界各國謀求新一輪科技與產(chǎn)業(yè)升級的大背景下，石墨烯材料的應(yīng)用研究已經(jīng)被許多國家提升至國家戰(zhàn)略高度。
目前，包括英國、美國、西班牙、韓國等國家均對石墨烯的研發(fā)投入大量資金?！吨袊圃?025》技術(shù)路線圖更是明確指出，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)“2020年形成百億產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2025年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億”的發(fā)展目標。
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