石墨烯能成為下一代顛覆性技術(shù)，替代目前使用的一些材料、開創(chuàng)新市場嗎？

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石墨烯能成為下一代顛覆性技術(shù)，替代目前使用的一些材料、開創(chuàng)新市場嗎？它是否足夠多功能從而使我們生活的方方面面發(fā)生突破性變革嗎？從石墨烯的性質(zhì)來看，它的確有這個潛力。石墨烯是科學(xué)家制備的第一種二維原子晶體。它的許多參數(shù)——如剛度、強(qiáng)度、彈性、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等等——都是無與倫比的。這些性質(zhì)表明石墨烯能夠替代許多其他材料。然而，這么多優(yōu)異的特性集中于這一種材料上意味著石墨烯將可能導(dǎo)致變革性的技術(shù)。石墨烯的透明性、導(dǎo)電性和彈性使其可應(yīng)用于柔性電子器件，而透明性、抗?jié)B性和導(dǎo)電性使其可應(yīng)用于透明保護(hù)膜和隔膜；這種性質(zhì)的組合應(yīng)用正越來越多。然而，新技術(shù)的應(yīng)用通常是一個時間長、代價高的過程，石墨烯的性質(zhì)是否足夠特殊，足夠通用，以能夠改變現(xiàn)狀從而轉(zhuǎn)向更為便捷的新技術(shù)呢？

石墨烯因其具有許多優(yōu)異的性能而獲得了“奇跡材料”的稱號。然而，這些優(yōu)異的性能都是建立在高質(zhì)量樣品的基礎(chǔ)上（機(jī)械剝離石墨烯），并且石墨烯需要存放在特制的基材上，如六方氮化硼。至今為止，還沒有使用其他制備方式的石墨烯能得到同樣的性能，所以此方法正在快速的發(fā)展。如果產(chǎn)業(yè)化的石墨烯的性能能與實驗室中制備出的石墨烯具有同樣優(yōu)異的性能，那么在工業(yè)應(yīng)用上將會有很大的前景。下面由

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為您簡單列出幾條：

1.石墨烯的生物應(yīng)用

石墨烯某些性能使得其可以作為潛在的生物應(yīng)用材料。比面積大、化學(xué)純度高和易官能化為石墨烯用于載藥提供了可能。石墨烯特殊的機(jī)械性能可以應(yīng)用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)中。石墨烯同時具有薄、傳導(dǎo)好、強(qiáng)度高的特點，可以用于透射電鏡中生物材料的支架。同時，化學(xué)功能化的石墨烯可以應(yīng)用于快速、超靈敏的測量儀器，檢測包括葡萄糖、膽固醇、血紅蛋白和DNA等一系列生物分子。

由于石墨烯比表面積大，有不受限制的π電子，石墨烯的衍生物可以用于溶解，綁定藥物分子，因此石墨烯如果有足夠高的載藥量，可作為潛在的藥物運載工具，能夠在體內(nèi)較好分散，釋放藥物。石墨烯是親脂性的，這個性能有利于解決載藥過程中藥物穿過生物膜。到目前為止，已經(jīng)完成了很多關(guān)于芳香抗癌藥物如阿霉素的載藥或體外行為相關(guān)的工作。聚乙二醇修飾的氧化石墨烯，用近紅外熒光染料染色，不帶任何藥品，在異種移植老鼠的靜脈中表現(xiàn)出被動的腫瘤靶向。腫瘤細(xì)胞在被低功耗近紅外激光輻照后被殺死，表示石墨烯的衍生物可以應(yīng)用于光熱光譜分析癌癥治療。然而，當(dāng)加入新材料時，藥物開發(fā)需要高安全性，臨床和監(jiān)管障礙而且耗時較長，所以石墨烯載藥技術(shù)在2030年前不太可能進(jìn)入市場。

在石墨烯充分體現(xiàn)它在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的作用前，其生物分散，生物相容性以及急性、慢性毒性等危險在加工過程和后續(xù)的使用過程中會相繼表現(xiàn)出來。最后，特定的領(lǐng)域需要特定形式的石墨烯，因為產(chǎn)品的性能會隨著尺寸、形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同而不一樣。在某些情況下，也可以利用生物活性產(chǎn)生特定的毒性。例如，有毒的石墨烯衍生物可以作為一種以自身為抗生素或者抗癌治療的治療劑。

2.石墨烯用于傳感器和計量

石墨烯作為二維織物和幾乎沒有體積的表面，對于環(huán)境的變化有極高的敏感性。因此，考慮將石墨烯用于傳感器中就十分合理了，從測量磁場到DNA測序，從探測周圍液體的速率到應(yīng)變儀。后者（通過電子或者光讀數(shù)）可能成為最具競爭力的設(shè)備。由于石墨烯是唯一可以拉長20%的晶體，因此顯著提高了傳感器的工作范圍。

盡管石墨烯氣體傳感器極其靈敏，但是與目前的設(shè)備相比競爭優(yōu)勢還不明顯。選擇性低和水中毒限制了石墨烯在此方面的應(yīng)用，盡管這種傳感器生產(chǎn)成本很低，但是只能限用于某些領(lǐng)域。功能化可以提高石墨烯傳感器的靈敏度，但是由于該方法成本較高，因此石墨烯可能最適合應(yīng)用于生物傳感器中。

石墨烯傳感器的主要優(yōu)點是它們的多功能性。同一個設(shè)備可以用來測量多個參數(shù)（如應(yīng)變，氣氛，壓力和磁場）。這給石墨烯提供了獨特的機(jī)會。隨著交互式電子產(chǎn)品的急劇發(fā)展，石墨烯傳感器應(yīng)用前景更加廣闊。

3.石墨烯材料在超級電容器中的應(yīng)用

人們一直都在尋找高效的可再生能源技術(shù)，石墨烯已經(jīng)加入了可再生能源研究這一行列。目前，有許多關(guān)于太陽能電池的研究，石墨烯在其中的作用可以分為作為活性介質(zhì)和作為透明或者分布式電極。前一種方法與光電探測器的工作原理相同，原則上能均勻吸收寬光譜。然而，由于石墨烯低的內(nèi)在光學(xué)吸收率，這種設(shè)備需要復(fù)雜的干涉法或者等離子體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)才能大規(guī)模使用。相反，使用石墨烯透明電極可以很好的應(yīng)用于半導(dǎo)體量子點和染料-光敏太陽能電池中。在石墨烯中通過摻雜可以改變費米能級的位置，該電極使用電子和空穴作為導(dǎo)電媒介。由于通過液相或者熱剝離法生產(chǎn)石墨烯的成本正在下降，研究人員可以考慮在染料太陽能電池中廣泛使用石墨烯，特別是可以在那些機(jī)械柔性占主要的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)石墨烯在性能和成本上都比較優(yōu)秀時，就能夠替代現(xiàn)在能源相關(guān)的通用材料（石墨，炭黑和活性炭）。

4.復(fù)合材料、油漆和涂層中的應(yīng)用

石墨烯涂料可以應(yīng)用于導(dǎo)電油墨、抗靜電、電池屏蔽、氣體屏障材料中。理論上來說，所有以石墨烯為主的公司和新公司可以生產(chǎn)液相或者熱剝離石墨烯，那么制備工藝會向著簡單合理的方向發(fā)展。此外，今后幾年石墨烯的化學(xué)衍生物將會得到大量的發(fā)展，可以控制產(chǎn)品的導(dǎo)電率和透明度。

給復(fù)合材料帶來額外功能是另一個較大市場，其中石墨烯所占的份額會很大而且可能會迅速地發(fā)展。石墨烯可以阻隔氣體和水，可以作為電磁屏蔽材料，可以傳遞電和熱，也可以在聚合物矩陣中監(jiān)測應(yīng)力變化。作為聚合物的添加劑，加入石墨烯可能會使加工溫度升高、減少水分的吸收、誘導(dǎo)抗靜電行為、給予光電保護(hù)、提高軸向壓縮強(qiáng)度。在很多的應(yīng)用中，因碳纖維機(jī)械連接性過大而限制了其應(yīng)用，所以需要使用石墨烯來代替（例如注塑復(fù)合材料）。

5.石墨烯基光子學(xué)應(yīng)用

（1）光電探測器：石墨烯光電探測器是目前研究最為廣泛的光電子器件之一。與半導(dǎo)體光電探測器不同的是，石墨烯原則上可以用于從紫外到紅外的寬頻光譜區(qū)域。另一個優(yōu)點是高操作帶寬，該優(yōu)點可以使石墨烯光電探測器適用于高速數(shù)據(jù)通訊中。

（2）光調(diào)制器：優(yōu)異的光調(diào)制器的性能可以通過剝離制得的石墨烯的特性來實現(xiàn)，石墨烯從較寬波譜的光中吸收少量入射光并且能夠快速地做出響應(yīng)。為了實現(xiàn)這些性質(zhì)，在單層石墨烯片層中，譜帶間轉(zhuǎn)移的光電子通過驅(qū)動電壓在寬頻譜帶間調(diào)制，可以得到在近紅外區(qū)帶寬超過1GHz運行速度的光調(diào)制器。通過一些結(jié)構(gòu)的改變，使用相互限制的雙層石墨烯可以減少RC延遲時間中的阻礙，提供一個可以達(dá)到上百千兆的區(qū)域，理論上操作帶寬超過50GHz的光調(diào)制器是可以實現(xiàn)的，但是需要等到2020年以后。石墨烯是一種兆赫級無線通訊的潛在材料，因為在石墨烯中光損失要遠(yuǎn)小于貴金屬。

（3）鎖模激光器/THz發(fā)生器:超快的被動鎖模激光器已經(jīng)用于光譜、微材料加工、生物醫(yī)藥和安全應(yīng)用中。它們經(jīng)常作為一個飽和吸收體，通過選擇傳遞高光強(qiáng)光從而造成光強(qiáng)的調(diào)制。與廣泛使用的半導(dǎo)體飽和吸光體相比，石墨烯單層吸光率很高，在低光強(qiáng)度下的寬譜帶區(qū)域就可以達(dá)到飽和。超快載流子的弛豫時間、可控的調(diào)制深度、高損傷極值、高熱導(dǎo)率和寬頻可調(diào)都是石墨烯飽和吸收體的優(yōu)點。因此上述應(yīng)用需要石墨烯的量比較小，所以商品化的產(chǎn)品可以在2020前出現(xiàn)。

（4）光學(xué)偏振控制器:偏振控制器（如偏振器和旋轉(zhuǎn)偏振器）是重要的無源元件，它們可以操縱極化光子的性質(zhì)。差動橫向磁場的衰減模式下，由于Dirac費米子的激發(fā)可以得到覆蓋了較寬的通訊帶，其消光比為27dB。簡化的光學(xué)偏振器已經(jīng)被用于結(jié)合了線性傳導(dǎo)層石墨烯的數(shù)據(jù)通訊光學(xué)纖維中。高質(zhì)量微米級石墨烯需要與光學(xué)纖維或者硅雜化設(shè)備結(jié)合使用。因此，如果石墨烯的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，那么這些設(shè)備就可以在2020年前投入使用。

6.石墨烯的電子器件應(yīng)用

(1)柔性電子器件:石墨烯電極已經(jīng)在OLED中應(yīng)用。一旦設(shè)備的集成問題（比如三維石墨烯結(jié)構(gòu)在沉積過程中能否保持和石墨烯之間的接觸電阻等）被解決，先進(jìn)靈活或者可折疊的OLED設(shè)備將在2016年后被引入。在低成本部門，建立大規(guī)模生產(chǎn)是最重要的事。液相剝離的石墨烯涂層不需要使用昂貴的真空裝置。盡管薄膜的電阻比較高，它們?nèi)匀辉谥悄艽翱?、太陽能電池和一些接觸屏的應(yīng)用上表現(xiàn)良好。石墨烯的柔性和機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)點，確保了石墨烯設(shè)備可以有更多靈活的應(yīng)用。

(2)高頻晶體管:研究人員已對石墨烯高頻二極管進(jìn)行了研究。石墨烯不得不與成熟的化合物（III–V族元素）半導(dǎo)體材料競爭。當(dāng)傳統(tǒng)的III–V族元素材料不能滿足設(shè)備的需求時，石墨烯可能會在2021年后被使用。

(3)邏輯晶體管:幾種研究路線被用于打開石墨烯的能帶隙：納米帶，單電子晶體的形成，多層的控制和化學(xué)修飾石墨烯。然而，所有的方法（除了化學(xué)修飾）都不能打開超過360meV的能帶隙，這將開關(guān)電流比限制在了103，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需要的106。更為嚴(yán)重的是，這樣做會使得石墨烯中載流子的遷移率衰退。石墨烯的電子和熱的傳導(dǎo)效率以及優(yōu)異的屏障屬性，可能會應(yīng)用于互聯(lián)和熱耗散的集成電路材料。石墨烯能十分容易地通過CVD在銅上生長，人們也許可以看到石墨烯在集成電路方面的應(yīng)用。