1.3　石墨烯的研究现状

作为一种具有特殊性质的新兴材料，石墨烯在电子、光电、光子器件中均崭露头角，显示了广阔的应用前景［35-37］。石墨烯未来的应用领域十分广阔，包括导电墨水、化学传感器、发光器件、复合材料、太阳能发电及电池超级电容、柔性触摸屏、高频晶体管［38］等，如图1.3所示。

图1.3　石墨烯在不同领域的应用展望概况［37］

有学者预测了石墨烯在电、光领域的应用前景［39］，分别如图1.4（a）、（b）所示。前者包括柔性电子器件，如弯曲触摸屏、弯曲电子纸、可折叠OLED，另外，石墨烯电子迁移率高，能够应用于高频晶体管、逻辑晶体管等；后者的应用包括光电探测器（带宽可以覆盖红外到紫外范围）、光电调制器（相位、幅度、极化）、锁模激光器、极化控制器（偏振、极化旋转）等。2015年，纳米领域的著名期刊Nanoscale也刊登了一篇来自世界各地的60余位权威学者联合撰写的两百余页的综述文章，充分总结了10年来石墨烯研究的进展，并提出了石墨烯及其相关材料的未来发展科技“路线图”［37］。

图1.4　石墨烯在“电”（a）与“光”（b）领域的应用前景展望［39］

基于石墨烯的复合材料、涂层也具有广阔的应用前景，如导电墨水、抗静电与电磁干扰屏蔽、气体阻隔。另外，石墨烯发电与存储的技术也发展迅猛。在发电方面，石墨烯扮演的角色可以是一种活性介质（Active Medium），此时石墨烯的特性与光电探测一样，在宽频谱范围内吸收光能，但是由于石墨烯本身对光的吸收能力较弱，因此这种情形下需要设计复杂干涉或者等离激元增强结构；也有研究人员将石墨烯当作一种透明材料或者分布式的电极材料，将石墨烯用作量子点或者染料敏化太阳能电池。在电能存储方面，基于石墨烯的下一代锂电池技术将引发革命性影响，传统的锂电池阴极材料电导率很低，因此要添加石墨、碳黑等材料改善。石墨烯不但可以充当片状形态的导电填充剂，也可以当作新型核壳、“三明治”复合结构，这类全新的填充剂可使导电特性得到极大的改善，可增加锂电池的功率密度。石墨烯出色的热导电特性还能解决电池发热的问题。除了将石墨烯与锂电池结合设计储能装置，研究人员还在探索基于石墨烯的超级电容器，石墨烯薄片可以充当纳米尺度的电极与电解质分割面，因而单位体积的储能装置可以存储更多静电荷，能量密度更大。

不论是单独的石墨烯或是与其他材料混合成的复合结构，均表现出优异的特性；此外，其形态比较灵活，既可以与传统的硅基平面集成电路兼容，又可以作为复合涂料、溶剂等材料使用，应用前景十分广阔；且构成成分为碳，是地球上来源广泛的原料，不仅成本低，而且绿色环保。来自欧盟、美国、英国、日本、韩国等国家和地区的许多研究机构与公司对石墨烯展开了一系列的研究。其中比较有代表性的有:①欧盟于2013年启动了一项历时十年的石墨烯旗舰项目，预计总投资10亿欧元，其目的在于推动石墨烯从实验室走向商业应用，发展更多相关的新技术。②美国国防高级研究计划局（DARPA）的超高速石墨烯晶体管计划，以及石墨烯红外探测和热传感器项目；美国空军及国家自然科学基金会（NSF）投资的石墨烯先进二维材料项目，2006年，NSF关于石墨烯的资助项目已超过200项，其中包括石墨烯超级电容器应用、石墨烯连续和大规模纳米制造等。③英国政府联合多所大学和研究机构在曼彻斯特大学建造国家级科研机构——英国国家石墨烯研究院，由获得2010年诺贝尔物理学奖的英国曼彻斯特大学教授A.K.Geim和K.S.Novoselov负责领导，加速石墨烯的商业化进程，该研究院已成为世界领先的石墨烯研究和商业化中心。④日本学术振兴机构从2007年开始对石墨烯硅材料、器件的技术进行资助。⑤韩国政府把石墨烯材料及产品定为未来革新产业之一，2012—2018年，原知识经济部预计将向石墨烯提供2.5亿美元的资助，其中1.24亿美元用于技术研发，其余用于商业化研究。巨大的投入先后催生了一系列成果和科学突破，如石墨烯视网膜植入、海水淡化、红外光电探测器、超级电池、石墨烯增强橡胶等，也孵化了一批如夜视传感器厂商Emberion、石墨烯场效晶体管芯片（GFET）厂商Graphenea、石墨烯基锂硅电池厂商BeDimensional、石墨烯生物传感器厂商Grapheal、石墨烯快捷支付厂商Payper等的新兴企业。