石墨烯的时代,还没有到来

2015-04-03  来源:果壳  作者:魏郎尔  浏览次数:586 收藏  |  分享

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最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时

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最大的颠覆,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?

Graphene-LBNL.jpg

扫描电镜下的石墨烯,显示出其碳原子组成的六边形结构。图片来源:Lawrence Berkley National Laboratory

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,我的透明手机在哪呢?

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(Konstantin Novoselov)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第一种由单层原子构成的材料。碳原子之间相互连接成六角网格。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。

 

graphene_carbon-e1286367575983.jpg

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最佳的石墨烯样品,需要最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。

 



诺沃肖洛夫团队捐赠给斯德哥尔摩的石墨、石墨烯和胶带。胶带上的签名“Andre Geim”就是和诺沃肖洛夫一同获得诺贝尔奖的人。图片来源:wikipedia

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 面张力超高的液体里,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。

ubtractedcopy_副本.jpg
显微镜下的一块石墨烯,伪色标记。每一“色块”代表一片石墨烯“单晶”。图片来源:Cornell.edu

 

问题之二:电学性能。

石墨烯一个有前景的方向是显示设备——触屏,电子纸,等等。但是目前而言石墨烯和金属电极的接触点电阻很难对付。诺沃肖洛夫估计这个问题能在十年之内解决。

但是为啥我们不能干脆抛弃金属,全用石墨烯呢?这就是它在电子产品领域里最致命的问题。现代电子产品全部是建筑在半导体晶体管之上,而它有一个关键 属性称为“带隙”:电子导电能带和非导电能带之间的区间。正因为有了这个区间,电流的流动才能有非对称性,电路才能有开和关两种状态——可是,石墨烯的导 电性能实在太好了,它没有这个带隙,只能开不能关。只有电线没有逻辑电路是毫无用途的。所以要想靠石墨烯创造未来电子产品,取代硅基的晶体管,我们必须人 工植入一个带隙——但是简单植入又会使石墨烯丧失它的独特属性。目前针对这个领域的研究的确不少:多层复合材料,添加其他元素,改变结构等等;但是诺沃肖 洛夫等人认为这个问题要真正解决,还要至少十年。
问题之三:环境风险。

石墨烯产业还有一个意想不到的麻烦:污染。石墨烯产业目前最成熟的产品之一可能是所谓“氧化石墨烯纳米颗粒”,它很便宜,虽不能用来做电池、可弯折 触屏等高端领域,作为电子纸等用途倒是相当不错;可是这东西对人体很可能是有毒的。有毒不要紧,只要它老老实实呆在电子产品里,那就没有任何问题;可是前 不久研究者刚发现它在地表水里非常稳定、极易扩散。虽然现在对它的环境影响下断言还为时太早,但这的确是个潜在问题。
所以,石墨烯的命运究竟如何?

鉴于过去几个月里学界并无新的突破性进展,近日它的这波突发性“火热”,恐怕本质上还是资本运行的炒作结果,应审慎对待。作为工业技术,石墨烯看起 来还有许多未能克服的困难。诺沃肖洛夫指出,目前石墨烯的应用还是受限于材料生产,所以那些使用最低级最廉价石墨烯的产品(譬如氧化石墨烯纳米颗粒),会 最先面世,可能只需几年;但是那些依赖于高纯度石墨烯的产品可能还要数十年才能开发出来。对于它能否取代现有的产品线,诺沃肖洛夫依然心存疑虑。

另一方面,如果商业领域过度夸大其神奇之处,可能会导致石墨烯产业变成泡沫;一旦破裂,那么也许技术和工业的进展也无法拯救它。科学作者菲利普·巴 尔曾经在《卫报》上撰文《不要期望石墨烯带来奇迹》,指出所有的材料都有其适用范围:钢坚硬而沉重,木头轻便但易腐,就算看似“万能”的塑料其实也是种种 大相径庭的高分子各显神通。石墨烯一定会发挥巨大的作用,但是没有理由认为它能成为奇迹材料、改变整个世界。或者,用诺沃肖洛夫自己的话说:“石墨烯的真 正潜能只有在全新的应用领域里才能充分展现:那些设计时就充分考虑了这一材料特性的产品,而不是用来替代现有产品里的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折叠电子产品,可折叠太阳能电池,和超级电容器等等新领域能否发挥它的潜能,就让我们平心静气拭目以待吧。(编辑:Calo)
参考文献

K. S. Novoselov et al.(2012). A roadmap for graphene. Nature 490, 192–200 (11 October 2012) doi:10.1038/nature11458
Zhigong Song et al. (2013).Pseudo Hall–Petch Strength Reduction in Polycrystalline Graphene. Nano Lett., 2013, 13 (4), pp 1829–1833 doi: 10.1021/nl400542n
A Schinwald et al.(2012) Graphene-based Nanoplatelets: A New Risk to the Respiratory System as a Consequence of Their Unusual Aerodynamic Properties. ACS Nano, 2012, 6, 736 DOI: 10.1021/nn204229f
Lanphere Jacob D.et al.(2014) Stability and Transport of Graphene Oxide Nanoparticles in Groundwater and Surface Water. Environmental Engineering Science. doi:10.1089/ees.2013.0392.
Matthew Francis, The Graphene Age isn't (quite) here yet. Ars Tecnica, 17 October 2012
Philip Ball, Don't expect graphene to perform miracles. The Guardian, 28 December 2012

文章题图:telegraph.co.uk

 


 

服务支持

关注我们

关于我们 |  联系我们 |  法律声明 |  友情链接 |  网站地图 |  帮助中心 | 

® 2009-2014 复材在线 版权所有 京ICP备11017963号-1 网站经营许可证编号:京ICP证070755号 (c)2008-2019 frponline.com All Rights Reserved