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中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范:石墨烯產業發展需遵循“料材器用”規律

A3尺寸石墨烯薄膜、四/六英寸單晶石墨烯晶圓、石墨烯玻璃纖維、超級石墨烯玻璃……走進北京石墨烯研究院的展廳,就仿佛進入了神奇的石墨烯世界。石墨烯是目前已知的最薄也最堅硬的納米材料,具有超薄、超輕、超柔韌、超高強度、超強導電性、導熱和透光性等特性,其規模化應用一直被業界寄予厚望。但在中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范看來,業界應對石墨烯產業保持耐心,他在接受《中國電子報》專訪時表示:“石墨烯作為一種新材料,從研發到大規模應用,是一個循序漸進的過程,不可能一蹴而就,需要遵循‘料材器用’和新興產業發展的規律。”

遵循規律專注研發 靜待市場花開

石墨烯是由碳原子緊密堆積而成的二維晶體,是目前已知的最薄也最堅硬的納米材料,具有超薄、超輕、超柔韌、超高強度、超強導電性、優異的導熱和透光性等特性,集透光性好、導熱系數高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等多種優異性能于一身,在電子學、光學、儲能和傳感器等領域有巨大的應用潛能。


石墨烯薄膜轉移技術


在看到石墨烯產業巨大市場潛力后,一些與石墨烯有關的產品開始得到推廣和應用。劉忠范向《中國電子報》記者表示,石墨烯新能源電池、石墨烯防腐涂料和石墨烯大健康產品是目前國內石墨烯產業最熱的“三大件”。劉忠范通過幾個數字告訴記者國內石墨烯產業的發展現狀:“在目前的石墨烯應用中,石墨烯新能源電池占了71%。另一個是石墨烯涂料,全國有幾百家企業在做石墨烯防腐涂料相關的事情。再有就是石墨烯大健康產品,占據7%左右。這三塊合計將近90%。”

“超級石墨烯電池”可在8分鐘內充滿80%的電量,續航歷程超過1000km……在經歷了一段“神化石墨烯”的市場炒作期之后,劉忠范指出,石墨烯正處于炒作高峰過去的市場冷靜期。這里的“冷”并不是指產業遇到困難后的挫敗,而是業界的理智與市場的安靜。劉忠范坦言,在這段相對沉靜的時期,人們應降低對石墨烯的過高期待,腳踏實地并遵循技術發展的客觀規律,對石墨烯產業進行持續性的技術研發。

現階段,劉忠范帶領的團隊瞄準石墨烯產業,正在全方位開展石墨烯基礎研究和產業化核心技術研發。劉忠范向記者介紹說:“當前我們團隊主要在石墨烯的材料制備方面進行研發。具體來講,石墨烯材料主要分為三大類,分別是石墨烯粉體材料,石墨烯薄膜材料和介于兩者之間的纖維材料。目前,4英寸單晶石墨烯晶圓、6英寸單晶石墨烯晶圓、A3尺寸石墨烯薄膜和超潔凈石墨烯都已實現量產。”


工作人員在石墨烯薄膜生產示范中心進行材料生產


據介紹,萬片萬米級的石墨烯薄膜材料已經實現了中試規模生產,目前,劉忠范帶領的團隊正在等待市場需求的真正爆發。他表示,自己研究團隊的首要任務是專注研發,集中精力把石墨烯材料做好,實現規模化生產。“技術上做到了冗余,一旦石墨烯的應用實現突破,我們就可以大規模生產,不存在技術壁壘。”劉忠范笑著對記者說,“研發加上中試規模的生產已經讓我們在這個領域得到了積累,剩下要做的是繼續在研發路上前行,然后靜待市場花開。”

成本和規模化制備 影響石墨烯產業化的關鍵

作為一種新型材料,石墨烯材料的發展現狀是“理想很豐滿,現實很骨感”。劉忠范對《中國電子報》記者坦言,目前石墨烯市場上的很多石墨烯材料都不是很“靠譜”。

2018年,諾貝爾物理學獎獲得者康斯坦丁?諾沃肖洛夫同新加坡國立大學另一教授一起在《先進材料》上發表了一篇文章,他們檢驗了全世界60多家企業的粉體石墨烯材料,發現在絕大多數企業提供的樣品中,石墨烯含量不足10%。劉忠范向記者表示,石墨烯是純碳材料,里面是100%的碳。但現在的情況是,目前絕大多數所謂“石墨烯材料”的碳含量不超過60%,也就是說,有超過40%的石墨烯材料成分連碳都不是。“這就是現在的問題,在石墨烯材料上面,業界還有很多需要努力的空間。”劉忠范說。


實驗人員進行檢測和實驗


在諸多需要努力的方面中,規模化制備水平的提高是推動石墨烯產業發展的一大關鍵要素。劉忠范對記者表示,石墨烯產業正處于發展的初級階段,這個階段需要讓規模化制備成為可能。劉忠范指出,產品要想從實驗室走出、往規模化方向發展,需要具有很高的質量和極強的一致性、穩定性。但是目前,石墨烯產品的規模化制備卻不容易。

其中,石墨烯的剝離是一大難點。用膠帶粘出來的諾貝爾物理學獎曾被傳為一段“佳話”:用一片膠帶去粘另一邊片膠帶上的石墨,再撕下來就可以讓石墨片變薄,這是一種非常實用且有趣的剝離方法。不過,劉忠范告訴記者,粉體石墨烯的剝離不是使用膠帶,而是用一種化學方法,例如通過硫酸和強氧化劑去煮,把粉體石墨烯一層層剝離出來。但現在的難點是,石墨烯剝離的層數從1層到100層都有,很難控制。

石墨烯的生長也是一個難題。劉忠范表示,薄膜石墨烯一般是在高溫爐子里燒出來的。在1000℃的高溫加熱爐里用銅箔做催化劑,就可以在銅箔上面長一個原子層的石墨烯。“雖然能長出來,但是卻長得不好。”劉忠范對記者說,“石墨烯原子像拍得非常漂亮,但實際做出來的東西缺陷很多、質量很差。”

規模化制備的不一致性、不穩定性和低質量是石墨烯實現產業化的主要瓶頸。除規模量產之外,成本問題也是石墨烯走向市場的一大難點。劉忠范以“纖”姿百態的柔性顯示為例告訴記者,具有導電特性的石墨烯可以做柔性屏幕。但需要注意的是,經過疊層處理后,石墨烯的導電性和透光性還需要進一步提升,這些材料本身和工藝上問題的解決會大幅增加生產成本,使石墨烯柔性屏幕喪失性價比優勢與市場競爭力。“一張A3尺寸石墨烯薄膜材料的價格是2萬元人民幣。這樣的價格,與現有顯示技術相比,根本不具競爭力。”劉忠范說。

石墨烯晶圓不是好出路 應尋更多應用突破口

人們對新事物總是有很多期許和憧憬。盡管目前石墨烯材料的規模化制備還存在難點,但石墨烯產業的發展前景仍充滿光明。

半導體行業被很多人視作石墨烯材料大顯身手的舞臺。后摩爾時代,啟用新材料被認為是解決芯片性能問題、突破芯片制造物理瓶頸的出路之一。作為“黑金”和“新材料之王”,石墨烯在業界備受矚目。

劉忠范等研究人員的最新研究進展書寫了石墨烯在半導體產業應用的新篇章。一直以來,我國氮化物核心材料、器件的原始創新能力較為薄弱,核心專利技術不足。同時,由于缺乏同質襯底,氮化物材料一直通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在藍寶石、硅、碳化硅等單晶襯底上進行異質外延。單晶襯底的尺寸、成本、晶格失配、熱失配、導熱導電性等限制了氮化物材料的發展。在這種情況下,劉忠范等研發人員在玻璃襯底上采用化學氣相沉積技術,發展了一系列石墨烯晶圓制備方法,通過“異構外延”減弱了氮化物對單晶襯底的依賴,對于擴大半導體外延襯底選擇范圍、豐富半導體異質外延概念、實現面向后摩爾時代的片上物質組裝和異構集成,具有非常重大的意義。


實驗人員進行檢測和實驗


石墨烯在后摩爾時代半導體行業的應用初見曙光,但在劉忠范看來,石墨烯材料還是應該找到自己真正的應用突破口,而不是“鳩占鵲巢”,把硅材料從半導體行業“攆走”。劉忠范表示,硅集成電路的工藝路線都是根據硅的自身性質量身定制的。如果想讓石墨烯入局替代硅材料,那就必須重新打造出一條符合石墨烯材料的工藝和邏輯,這無異于天方夜譚。

“替代硅、把硅從集成電路領域踢出局很難,但是新的東西一定有自己的生存空間。”劉忠范向記者表示,盡管試圖通過“石墨烯晶圓”來替代硅晶圓,在半導體行業實現彎道超車并不現實,但石墨烯材料非常有希望尋找到自己真正的應用突破口。

在半導體照明領域,石墨烯基半導體照明利用石墨烯作為III族氮化物材料(AIN、GaN)外延生長的緩沖層,能夠緩解大功率LED散熱等問題,進一步提高光電轉換效率;在新能源汽車領域,將傳統銅制充電槍頭經石墨烯生長工藝處理和表面改性,烯銅充電槍可解決大電流快速充電條件下的產熱和環境侵蝕問題;以柔性的一維纖維形態發揮出石墨烯獨有功能,超級石墨烯纖維有望給便攜式能源、可穿戴電子器件等行業帶來顛覆性變化。劉忠范向記者表示,經過高溫爐子處理,在玻璃纖維上長上一層石墨烯,生產出的布不僅像紙一樣輕薄,還具有極好的導電性和導熱性;通過喂蠶吃少量石墨烯,蠶吐出的蠶絲的強度能夠超過30%,手感更好,用起來也更涼爽。

“有人把石墨烯做成電子皮膚,這也是我們正嘗試做的東西。”劉忠范表示,石墨烯電子皮膚貼到人身上后,能夠測量脈搏、血壓和體溫等人體體征,為人們的健康保駕護航。在有關醫療健康的其他領域,石墨烯水凝膠具有優良的導熱、導電、抗菌性及遠紅外理療功能,可用作神經修復、人工軟骨、智能面膜、敷貼、醫用電極;石墨烯透明電極具有優異的生物組織相容性和磁共振成像兼容性,可用來制作高性能神經接口,進行生物醫療檢測。

責任編輯:張依依


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