石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域突破 下游醞釀萬億市場

　　應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬
　　石墨烯是目前所知最薄、最強(qiáng)和導(dǎo)電性最好的材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過建立三維堆疊多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的石墨烯能夠制成具備極為敏感的高效光伏設(shè)備，可以利用太陽能產(chǎn)生電力。未來有望采用石墨烯制成轉(zhuǎn)換效率更高的新一代太陽能電池。
　　從當(dāng)前的研究進(jìn)展來看，石墨烯不僅可以制成太陽能電池用的透明電極，同時(shí)還可以用作插入半導(dǎo)體層之間的中間電極。石墨烯最能發(fā)揮威力的領(lǐng)域是有機(jī)薄膜太陽能電池領(lǐng)域。在太陽能電池中使用石墨烯作為中間電極的優(yōu)點(diǎn)在于，石墨烯是透明的，而且與半導(dǎo)體層的相容性較高。
　　化學(xué)摻雜可以大大降低石墨烯面電阻并調(diào)整石墨烯的功函數(shù)，制成柔性更高的透明導(dǎo)電薄膜。石墨烯制成的透明導(dǎo)電薄膜，不僅具備導(dǎo)電、透明等太陽能轉(zhuǎn)換器件所必備的性質(zhì)，還具備金屬材料所不具備的柔性。同時(shí)，此種薄膜具備對(duì)中遠(yuǎn)紅外線高透性質(zhì)，能顯著提升太陽能的轉(zhuǎn)換效率，是新一代太陽能電池的理想材料。當(dāng)前多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為30%，理論上石墨烯太陽能電池有望將轉(zhuǎn)換效率提升到60%，未來太陽能電池有望實(shí)現(xiàn)小型化。石墨烯可以彎曲且透明，未來有望將石墨烯太陽能電池安裝在建筑物外墻，使太陽能用于日常照明和采暖等日常應(yīng)用。
　　目前，在石墨烯光伏材料研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的廠商之一是富士電機(jī)。該公司正在積極開發(fā)采用石墨烯制成的太陽能電池透明導(dǎo)電膜。
　　超級(jí)電容器是基于高比表面積炭電極/電解液界面產(chǎn)生的電容、或者基于過渡金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物的表面及體相所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換的電子元件。其構(gòu)造和電池類似，主要包括正負(fù)電極、電解液、隔膜和集流體。
　　作為一種新型儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容器具有體積小、輸出功率高、充電時(shí)間短、使用壽命長、工作溫度范圍寬、安全且無污染等優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來新型的電源裝置。要制造出高性能的超級(jí)電容器，電極材料是超級(jí)電容器的關(guān)鍵所在，決定著電容器的主要性能指標(biāo)，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。目前，納米結(jié)構(gòu)的活性炭、碳化物轉(zhuǎn)化炭、碳納米管、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等均已用于微型超級(jí)電容器的電極材料。但是上述材料整體性能不能滿足微型能源系統(tǒng)的要求。同時(shí)，制造微型超級(jí)電容的光刻工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，成本高昂，一定程度上制約了超級(jí)電容商業(yè)化進(jìn)程。
　　試驗(yàn)證明，石墨烯有望成為新型高效的超級(jí)電容器電極材料。目前已經(jīng)研究出以石墨烯為基礎(chǔ)的新型微型超級(jí)電容器，此類電容器外形小巧，充放電速率高，同時(shí)具備極佳的機(jī)械柔性。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)相比，石墨烯電介質(zhì)可顯著提升電容器容量及耐用時(shí)間，可以與薄膜型鋰離子電池相媲美。這種新穎的石墨烯微型電容器有望應(yīng)用于MEMS系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、柔性顯示器，以及其多種生物體內(nèi)電子設(shè)備的儲(chǔ)能器件。
　　研究表明，石墨烯超級(jí)電容器的充放電速度比傳統(tǒng)電池快1000倍。此項(xiàng)技術(shù)若能商業(yè)化，未來汽車或手機(jī)充電時(shí)間有望大大縮短。目前，超級(jí)電容器主要的技術(shù)瓶頸在于提升介質(zhì)能量密度，同時(shí)需要將成本降低。
　　觸摸屏是石墨烯未來應(yīng)用的又一大熱點(diǎn)。近幾年隨著智能手機(jī)和平板電腦的大規(guī)模普及，全球觸摸屏需求量也隨之大幅增加。數(shù)據(jù)顯示，2013年全球電子設(shè)備觸摸屏總面積同比增長兩倍，達(dá)到2550萬平方米。預(yù)計(jì)到2015年，觸摸屏生產(chǎn)面積將達(dá)到3590萬平方米。
　　與傳統(tǒng)的ITO觸摸屏相比，石墨烯觸摸屏無毒環(huán)保，相比ITO使用有毒的稀有金屬銦，石墨烯對(duì)環(huán)境友好。其次，石墨烯的光學(xué)性能要優(yōu)于ITO，能部分消除鏡面反射，可有效解決長期困擾ITO的光學(xué)鏡面反射問題。在強(qiáng)光下，ITO屏幕會(huì)變黑，而同樣情況下的石墨烯觸摸屏鏡面反射會(huì)減弱很多。石墨烯還能折疊彎曲，未來有望延伸至移動(dòng)智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域。在未來的觸摸屏領(lǐng)域，石墨烯電容式觸摸屏有望替代現(xiàn)有的氧化銦錫（ITO）透明電極。
　　石墨烯觸摸屏研究處于前列的國家有美國、英國、日本和韓國。目前開始產(chǎn)業(yè)化的公司有韓國三星、日本索尼、二維碳素、美英的Cambrios Tec以及3M。日本東麗、東芝、索尼產(chǎn)研和信越化學(xué)、三星等廠商在石墨烯研究方面進(jìn)展迅速。
　　近期有報(bào)道稱，IBM公司研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路。科學(xué)家預(yù)測，這項(xiàng)突破可能預(yù)示著未來有望采用石墨烯圓片來替代硅晶片。這塊集成電路建立在一塊碳化硅上，并且由一些石墨烯場效應(yīng)晶體管組成。最新的石墨烯集成電路混頻最多可達(dá)10G赫茲，承受125攝氏度的高溫。
　　未來石墨烯集成電路有望使智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴電子設(shè)備等電子終端運(yùn)行速度更高、能效更低、成本更低。
　　生物傳感器是生命分析化學(xué)及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要研究方向，已廣泛應(yīng)用于臨床疾病診斷和治療研究。石墨烯制成的生物傳感器對(duì)生命分析領(lǐng)域的快速發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。在基因組測序技術(shù)領(lǐng)域，最近成功開發(fā)出來的DNA感測器，是一種以石墨烯為基礎(chǔ)的場效應(yīng)類晶體管設(shè)備，能探測DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)。該感測器利用石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，成功實(shí)現(xiàn)檢測DNA序列的微觀功能。
　　蘇州納米研究所研究出使用PEG包被熒光標(biāo)簽的納米石墨烯片（NGS）在體內(nèi)的作用，在活體內(nèi)異種皮膚腫瘤移植熒光成像中，NGS表現(xiàn)出了高腫瘤細(xì)胞攝取率。盡管對(duì)這種新型碳納米材料在體內(nèi)表現(xiàn)還需要更多的認(rèn)知以及長期的毒性研究，但是此種方法為石墨烯在諸如腫瘤治療的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了方向。