石墨烯應用前景

 

1、納電子器件方面

 

2005年，Geim研究組J與Kim研究組發現，室溫下石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率(約10am/V·s)，并且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300K下可達0.3m)，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優勢，使電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。較大的費米速度和低接觸電阻則有助于進一步減小器件開關時間，超高頻率的操作響應特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優勢。此外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個苯環同樣保持很好的穩定性和電學性能，使探索單電子器件成為可能。

 

利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電池容量。自我裝配的多層石墨烯片不僅是鋰空氣電池的理想設計，也可以應用于許多其他潛在的能源存儲領域如超級電容器、電磁炮等。此外，新型石墨烯材料將不依賴于鉑或其他貴金屬，可有效降低成本和對環境的影響。

 

2、代替硅生產超級計算機

 

科學家發現，石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現代電子工業的領頭羊，一些電子設備，例如手機，由于工程師們正在設法將越來越多的信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現，高頻提升的發展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產未來的超級計算機。

 

3、光子傳感器

 

石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現在更大的市場上，這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的，這個角色一直由硅擔當，但硅的時代似乎就要結束。2012年10月，IBM的一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其他材料具有更優良的透光性。

 

4、基因電子測序

 

由于導電的石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以及DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實現直接的，快速的，低成本的基因電子測序技術。

 

5、減少噪音

 

美國IBM宣布，通過重疊2層相當于石墨單原子層的“石墨烯(Graphene)”，試制成功了新型晶體管，同時發現可大幅降低納米元件特有的1/f。石墨烯，試制成功了相同的晶體管，不過與預計的相反，發現能夠大幅控制噪音。通過在二層石墨烯之間生成的強電子結合，從而控制噪音。

 

6、隧穿勢壘材料

 

量子隧穿效應是一種衰減波耦合效應，其量子行為遵守薛定諤波動方程，應用于電子冷發射、量子計算、半導體物理學、超導體物理學等領域。傳統勢壘材料采用氧化鋁、氧化鎂等材料，由于其厚度不均、容易出現孔隙和電荷陷阱，通常具有較高的能耗和發熱量，影響到了器件的性能和穩定性，甚至引起災難性失敗。基于石墨烯在導電、導熱和結構方面的優勢，美國海軍研究試驗室（NRL）將其作為量子隧穿勢壘材料的首選。未來得石墨烯勢壘將有可能在隧穿晶體管、非揮發性磁性記憶體和可編程邏輯電路中率先得以應用。

 

7、其它應用

 

石墨烯還可以應用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領域，同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破。中國科研人員發現細菌的細胞在石墨烯上無法生長,而人類細胞卻不會受損。利用這一點石墨烯可以用來做繃帶,食品包裝甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光電化學電池可以取代基于金屬的有機發光二極管,因石墨烯還可以取代燈具的傳統金屬石墨電極,使之更易于回收。這種物質不僅可以用來開發制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現實。