石墨烯規模制造競賽

陳榮

新的制備工藝，能讓石墨烯這個“救世主”一樣的納米材料迅速普及嗎？

2014年2月8日，一個由法國、美國、德國三國研究機構和大學組成的研究團隊，成功實現在碳化硅晶體的邊緣帶狀凹槽上制備石墨烯納米帶，并且保證了常溫下的石墨烯超級導電特性。

新的制備方法，將適用于大批量規模生產，并能夠保證石墨烯納米帶的結構質量，這將使石墨烯在電子信息領域的廣泛應用成為可能。

新材料未來之星

1956年，英特爾創始人之一戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律，認為集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

這一定律揭示的趨勢持續了超過半個世紀，然而，從2000年開始，以硅為基礎材料的晶體管加工工藝的升級速度已經放緩，關于摩爾定律即將失效的猜測紛至沓來。

摩爾定律繼續生存的希望，在于尋找一個更革命性的基礎材料，讓晶體管繼續突破物理性能極限——比如石墨烯。

2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在實驗中成功獲得這種新型的納米材料，此后10年來，石墨烯的應用空間，已被擴展到幾乎無窮大的領域。

石墨烯和金剛石一樣，成分都是碳，只不過兩者的碳原子晶體結構排列不同，金剛石像是石墨生成的微小顆粒，而石墨烯則是僅有一層碳原子厚度的薄膜。

神奇之處在于，石墨幾乎是礦物質中最軟的材料，切成一個碳原子厚度的薄片后，卻變成了最堅硬的材料，硬度比莫氏硬度10級的金剛石還高，但同時，石墨烯卻又具有極高的韌性，可以隨意彎曲。

這種兼具韌性和迄今為止最高強度的特性，使石墨烯迅速成為工業制造、航空、食品包裝等領域的納米材料未來之星。

一個例子是，美國哥倫比亞大學的一次實驗發現，如果物理學家們能制取出相當于普通食品塑料包裝袋厚度（約100納米）的石墨烯，那么需要施加大約2萬牛頓的壓力才能將其扯斷（1千克≈9.8牛頓）。

換句話說，用石墨烯制成的包裝袋，一個就能裝大約兩噸重的物品。

這種輕薄而強韌的材料，同樣被證明可以應用在微型醫療器械、防彈衣、汽車、飛機制造上，如果真的普及推廣開來，它將全面顛覆當前的材料和工業制造世界。

更巨大的應用空間，則來自石墨烯的導電和導熱特性。

石墨烯中，碳原子雜化形成了蜂巢晶格狀的二維納米材料，它的結構非常穩定，電子在其間的移動速度可達光速的1/300，電阻率遠低于銅和銀，是目前已知導電性能最好的材料。

這種最強導電性能，當然不僅僅是可以用來制作電線那么簡單，結合它輕薄和強韌的機械特性，在能源儲存、高頻電路、光子傳感器、觸控屏幕等領域，石墨烯的應用前景無比廣泛。

比如，IBM曾于2010年研制出一個頻率100GHz的石墨烯晶體管，它如果換算成計算機處理器的頻率，是目前硅芯片的100～ 1000倍。

更為接近普通大眾的應用，是石墨烯充當電極的超級電池。美國加州大學洛杉磯分校工的一個研究團隊研制成的微型石墨烯超級電容器，不僅外形小巧，而且充放電的速度比傳統的標準電池快成百上千倍。

也就是說，如果手機電池用上它，充滿一次電大概只需要5秒鐘，即使是特拉斯這種風頭正勁的電動車用上它，充一次電也不會超過5分鐘，完美解決了電動車跑1小時后要停下來充6個小時電的尷尬。

產業瓶頸

但以上種種美妙的想象，都在目前石墨烯的制造工藝面前戛然而止。

從發現至今已逾10年，石墨烯替代硅的晶體管大規模制造工藝依舊沒能成型。

2010年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩位物理學家因獲取和應用石墨烯的研究，獲得當年的諾貝爾物理學獎，但他們首次從石墨中剝離出石墨烯的方法毫無科技含量可言，除了必備的石墨塊，剩下的工具只是幾卷透明膠帶。

沒錯，就是生活中再普通不過的膠帶。整個過程也有些陰差陽錯，蓋姆教授最初只是想得到盡可能薄的石墨薄膜，但他手下的一位中國博士生用傳統的拋光機打磨到極限，得到的石墨薄膜仍“厚”達10微米，足足相當于1000層石墨烯的厚度。

無奈之下，蓋姆看到了手邊的透明膠帶，石墨具有完整的層狀特性，為什么不試試按層剝離？

于是，蓋姆用透明膠帶在石墨塊上粘了一下，這樣石墨層就黏在了膠帶上，再把膠帶對著黏一下拉開，石墨層就變薄了，繼續用膠帶反復黏，石墨層越來越薄，最終獲得了只有一層碳原子的石墨烯。

正是因為膠帶作出的“巨大貢獻”，蓋姆和諾沃肖洛夫獲得的獎項也被開玩笑為“膠帶成就的諾貝爾獎”。不過這種“土”辦法雖然簡單，生產效率卻實在低下，一個人花上一天時間，才能制出一小片石墨烯，遠不能滿足工業化和規模化的需要。

事實上，自2004年首次剝離出石墨烯至今，在全球業界幾乎狂熱的追捧和研究下，已出現了各種各樣的石墨烯制備技術，比如化學氣相沉淀法、氧化還原法、溶液分離法、光照還原法、微波法、電化學法，等等。

這其中，化學氣相沉淀和氧化還原是兩種比較主流的技術方法。前者是在金屬表面生長出單層率很高、面積很大的石墨烯薄膜材料，后者是將天然石墨通過氧化還原反應形成石墨烯粉體。

但不管是化學氣相沉淀還是氧化還原法，需要的額外制備材料成本都不低，而且過程復雜，這導致石墨烯成品的成本一直居高不下，所制成的石墨烯還或多或少會存在一定的拓撲缺陷或者結構缺陷，大大影響了石墨烯的導電特性。

當然，這個問題也被各國科研機構和企業視為機遇所在，正因為全球都沒有現成的技術和經驗，大家都處于同一起跑線，那么誰能率先掌握核心技術，實現石墨烯的產業化應用，就有可能率先搶占新型納米工業時代的入口。

在官方的宣傳中，2014年2月的新制備方法自稱已有望實現大批量規模生產，如果真的已解決工藝和成本問題，它就將有望成為一個石墨烯全面產業化的破局點。