導讀：碳元素是構(gòu)成整個自然界的基本元素，也是人們認識最早的一種元素，其獨特的物理化學性質(zhì)與不同的形態(tài)隨著科技的不斷進步和發(fā)展而逐漸被人們發(fā)現(xiàn)。

1985年零維結(jié)構(gòu)富勒烯的發(fā)現(xiàn)和1991年二維結(jié)構(gòu)碳納米管的發(fā)現(xiàn)，使碳納米材料在世界范圍內(nèi)引起了巨大的研究熱潮。2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈˙K˙海姆教授和科斯佳˙諾沃謝洛夫研究員通過“微機械力分離法”，即通過微機械力從石墨晶體表面剝離石墨烯，首次制備出了石墨烯片層，并因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

石墨烯

石墨烯（Graphene）是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，其基本結(jié)構(gòu)是由碳原子以sp2雜化鍵合形成的苯六元環(huán)。厚度只有0.335納米,僅為頭發(fā)的20萬分之一，石墨烯的發(fā)現(xiàn)使碳材料家族更加充實完整，形成了包括：零維富勒烯，一維碳納米管，二維石墨烯，三維金剛石和石墨的完整體系。

單原子層石墨烯與富勒烯、碳納米管以及石墨的結(jié)構(gòu)關系示意圖，(a)石墨烯、(b)富勒烯、(c)碳納米管、(d)石墨

石墨烯是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料的基本單元，具有極好的結(jié)晶性、力學性能和電學質(zhì)量。

（1）石墨烯的強度是已知材料中最高的，達到了130Gpa，是鋼的100多倍

（2）石墨烯具有很高的楊氏模量和熱導率，達到1060Gpa和3000W/m/k。

（3）同時，石墨烯平面結(jié)構(gòu)使其擁有相當高的表面積，達到2600㎡/g。

（4）石墨烯特有的平面結(jié)構(gòu)也使其擁有了奇特的電子結(jié)構(gòu)和電學性質(zhì)，其載流子遷移率達200000c㎡/v/s，超過商用硅片遷移率的10倍以上，所以石墨烯具有非常高的電導率，達6000S/cm。

（5）石墨烯還具有室溫下的量子霍爾效應、雙極性電場效應、反常量子霍爾效應等，使其在電子器件制造等領域具有了重要的應用，對高性能電子器件的發(fā)展起到了重要的推進作用。

氧化石墨烯

化學式為C4O2-x(OH)2x(0<x<2)又稱石墨酸(graphiteacid)即Go。

氧化石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

制備氧化石墨的常用方法主要包括Brodie方法，Staudenmaier方法以及Hummers方法。基本原理：先用強酸處理原始石墨，得到石墨層間化合物，然后用強氧化劑對其進行氧化處理。

原始石墨是疏水的，經(jīng)過氧化以后石墨表面會形成大量的含氧基團如羧基、羥基、環(huán)氧基等，從而使氧化石墨具有了水溶性，再經(jīng)過超聲振蕩處理后就可以分散成氧化石墨烯。

氧化石墨烯因為存在含氧基團等缺陷破壞了它本身的電子結(jié)構(gòu)，因此需要經(jīng)過化學還原或熱還原將含氧基團去掉，修復石墨烯表面的電子結(jié)構(gòu)從而使其具有更優(yōu)異的性能。

氧化石墨烯的特性

(1)良好的親水性和相容性：

理想的石墨烯片表面不含任何活性基團，而氧化石墨烯片層由于含氧活性基團的引入，使其具有了某些新的性質(zhì)，如親水性、良好的分散性以及相容性。

(2)很好的表面活性和潤濕性：

氧化石墨烯表面的親水性含氧活性基團，使氧化石墨烯具有很強的表面活性和潤濕性，從而使氧化石墨烯能夠在常用的極性溶劑如四氫呋喃等中，形成穩(wěn)定的分散溶液。

(3)可作為補強填充材料：

極性基團同樣使氧化石墨烯與某些極性聚合物的相容性增加，穩(wěn)定分散的氧化石墨烯通過溶液法與聚合物材料混合可以制備出具備優(yōu)良電學性能和力學性能的納米復合材料，使氧化石墨烯成為優(yōu)良的納米復合材料補強填充料。

由于氧化石墨烯的良好性能，其對聚合物材料的力學性能、熱性能等的補強效果相對于其它無機補強填料更優(yōu)異，同時在聚合物基體中的添加量也比傳統(tǒng)的補強填料要少。研究人員利用氧化石墨烯作為補強填料，制備了大量具有優(yōu)異力學性能、熱性能的納米復合材料，對于聚合物復合材料的發(fā)展具有重要意義。

（4）其導電性較差：

含氧活性基團的引入破壞了氧化石墨烯片層內(nèi)的π鍵，使其喪失了傳導電子的能力，故其導電性較差，因此氧化石墨烯不適合制備要求具有導電能力的電子器件。

（5）具有不同的電子結(jié)構(gòu)：

氧化石墨烯與石墨烯具有不同的電子結(jié)構(gòu)，如果石墨烯完全被氧化則可成為絕緣體，經(jīng)過還原后又可以從絕緣體變?yōu)閷w。因此，可:以通過改變和控制氧化石墨烯不同的氧化程度實現(xiàn)對石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。

（6）GO薄膜是一種穩(wěn)定的光電陰極材料

在光強為100mW/cm2的白光照射下,偏壓為－0.4V時,0.1mol?L－1的Na2SO4溶液中薄膜電極的光電流密度達3.72μA/cm2.

（7）光響應性能

氧化石墨烯作為可見和近紅外區(qū)域作為光電探測器具有很好的光響應性能優(yōu)異、靈敏性度高、響應速率快和可重復性好等特點，還發(fā)現(xiàn)在強紫外光下氧化石墨烯的光響應穩(wěn)定性較差。

石墨烯的應用

石墨烯材料的部分應用

現(xiàn)在石墨烯的性質(zhì)已經(jīng)得到了比較深入的研究，并且顯示出廣泛的應用前景：它不僅可以替代目前的許多材料，實現(xiàn)性能的提升以及制造成本的降低，如半導體領域中的硅；也可以與其他材料復合，從而改善其性能，形成一系列多功能復合材料；甚至使我們曾經(jīng)的一些設想成為可能。

現(xiàn)今石墨烯的幾個主要應用領域有：

環(huán)保監(jiān)測領域

功能化石墨烯及石墨烯復合材料，在污染物吸附、過濾方面表現(xiàn)優(yōu)異

電子材料領域—重點領域

透明電極（太陽能電池）

電池負極材料

替代硅的芯片材料

柔性屏幕（可穿戴設備）

……

生物醫(yī)學領域

石墨烯在細胞成像、干細胞工程等生物納米技術(shù)領域有著廣泛的應用前景。

散熱材料領域

解決手機、計算機等設備的散熱問題，進一步提升性能。

我們來看看石墨烯的實際應用場景

(1)可做“太空電梯”纜線

石墨烯不僅可用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、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(xiàn)實。研究人員表示,如果這種方法被證明可用以成批制造石墨烯光纖,將能降低超堅固炭素復合材料的成本,炭素復合材料在航空航天、汽車和建筑等領域具有廣泛的用途。

(2)代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品

硅讓我們邁入了數(shù)字化時代,但研究人員仍然渴望找到一些新材料,讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中,石墨烯最引人矚目。石墨烯值得炫耀的優(yōu)點有很多,比如超高強度、高透光性以及超強導電性,這讓它成為了制造可彎曲顯示設備和超高速電子器件的理想材料。石墨烯如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、存儲器和其他器件的原型樣品當中。

石墨烯透明導電膜

國際商業(yè)機器公司（IBM）己研制出運行速度最快的石墨烯晶體管。lBM公司于2010年12月發(fā)布了其與美國麻省理工學院(MIT)的共同研究成果——在SiC基板上形成的柵長為240nm的石墨烯場效應晶體管(FET),并驗證其截止頻率為230GHz。石墨烯通過熱外理SiC基板而成膜。IBM表示,計劃將其應用于高頻RF元件。

Rice大學研究人員正在著手研究一類存儲單元密度至少為閃存兩倍的石墨烯片狀存儲器。石墨烯是由沒有卷成納米管的純炭原子薄膜構(gòu)成,此次Rice大學研究人員首次將石墨烯用于架構(gòu)更簡單的雙端存儲器件。

科學家發(fā)現(xiàn),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(xiàn)代電子工業(yè)的領頭羊,一些電子設各,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(xiàn),高頻提升的發(fā)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(chǎn)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(xiàn)在更大的市場上,用于檢測光纖中攜帶的信息。現(xiàn)在,這個角色還在由硅擔當,但硅的時代似乎就要結(jié)束。去年10月,IBM的一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。

英國劍橋大學及法國CNR的研究人員已經(jīng)制造出超快鎖模石墨烯激光器。由于石墨烯為零能隙的半導體,這項研究成果不僅令人意外,而且顯示了石墨烯在光電器件上大有可為。

(4)納電子器件

石墨烯是納米電路的理想材料,也是驗證量子效應的理想材料。但是由于完整的石墨烯基本沒有帶隙,極大地限制了它在半導體器件上的應用,所以為石墨烯開啟一個帶隙,是一件非常重要的課題。近來研究表明,一維尺度受限的石墨烯納米帶具有一定的帶隙,可以獲得高性能的晶體場效應管,增加芯片速度與效能、降低耗熱量。然而,制備寬度小于10nm的石墨烯納米帶是非常困難的問題。

在納電子器件方面石墨烯的可能應用包括:電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效應管;進一步減小器件開關時間,THz超高頻率的操作響應特性;探索單電子器件在同一片石墨烯上集成整個電路。

據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)2010年6月10日報道,美國科研人員利用石墨烯制造納米電路領域取得突破性進展。設計出了簡便、快速的納米電線制造方法,能夠調(diào)諧石墨烯的電學特征,使氧化石墨烯從絕緣物質(zhì)變成導電物質(zhì)。

美國曼徹斯特大學的研究人員用石墨烯制成了分子級電子電路。石墨烯可以被刻成擁有單個晶體管的電子電路,其尺寸不比分子大多少,晶體管尺寸越小,其功能越強。研究人員還表示,從氧化石墨烯到石墨烯的簡單轉(zhuǎn)換是制造導電性納米線的重要途徑,其不僅可應用于軟性電子學領域,還有望用于生產(chǎn)與生物兼容的石墨烯電線,可被用于測量單個生物細胞的電子信號。

(7)觸摸面板試制品不斷面世

除了高速高靈敏度器件之外，透明導電膜也是最接近實用化的的應用例。設想作為目前普遍使用的ITO的替代材料，用于觸摸面板、柔性液晶面板、太陽能電池及有機EL照明等。試制品也接二連三地面世。

透明導電膜這一用途備受期待的原因在于，石墨烯具備較高的載流子遷移率且厚度較薄。一般來說，高透明性與高導電性是互為相反的性質(zhì)。從這一點來看，ITO正好處在透明性與導電性微妙的此消彼長（Trade-off）關系的邊緣線上（如下圖）。這也是超越ITO的替代材料遲遲沒有出現(xiàn)的原因。

石墨烯在理論上有望避開這種此消彼長的關系成為理想的透明導電膜。其原因是，由于載流子遷移率非常高，即使載流子密度較低，導電性也不容易下降。而載流子密度較低的話，會比較容易穿過更大波長范圍的光。相當于單個原子的超薄厚度同樣有助于提高透明性。

不僅是可見光，石墨烯還可透過大部分紅外線，這一性質(zhì)目前已為人所知。因此，對于還希望利用紅外線來發(fā)電的太陽能電池而言，石墨烯有望成為劃時代的透明導電膜。與不適于彎曲的ITO相比，還具備柔性較高的優(yōu)勢。

不過，透明導電膜目前還存在很多問題。由于制作大面積石墨烯時會混入很多雜質(zhì)及缺陷，因此大多數(shù)試制品的導電性及透明性都未達到ITO的水平。即便如此，石墨烯仍有望用來制作觸摸面板(如下圖所示)。

（a）為產(chǎn)綜研以石墨烯為透明導電膜制作的觸摸面板。（b）為使用CNT的例子

這個觸摸屏的工作原理很容易理解，觸摸屏由上下兩層粘在PET薄膜上的石墨烯構(gòu)成，沒有接觸的情況下，兩層石墨烯被下層上放置的絕緣點陣阻隔而互不接觸。當外界壓力存在的時候，PET薄膜和石墨烯在壓力下發(fā)生形變，這樣上下兩層石墨烯就發(fā)生接觸，電路連通。接觸的位置不同，器件邊緣電極收集到的電信號也不一樣，通過對電信號的分析，就可以確定是觸摸屏上的哪個位置發(fā)生了接觸。三星公司的成功，讓人們看到，這種生成大尺寸石墨烯的方法完全適合于工業(yè)應用，而且相對于傳統(tǒng)方法，成本低了很多。

(8)石墨烯納米生物傳感器

2010年3月，在中國科學院院長特別基金和國家自然基金項目的支持下,國家納米科學中心石墨烯納米生物傳感器研究取得突破。國家納米科學中心和美國哈佛大學合作首次成功制備了石墨烯與動物心肌細胞的人造突觸,建立了一維、二維納米材料與細胞相結(jié)合的獨特研究體系,為生物電子學的研究帶來了新的機遇。

基于石墨烯的復合納米材料生物傳感器

(9)高速光學調(diào)制器

美國華裔科學家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器，科學家表示，這個只有頭發(fā)絲四百分之一細的光學調(diào)制器具備的高速信號傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待。這項研究的突破點就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅硬的納米材料，做成一個高速、對熱不敏感，寬帶、廉價和小尺寸的調(diào)制器，從而解決了業(yè)界長期未能解決的問題。

拓展閱讀

石墨烯行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的瓶頸在于還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，目前仍沒有一種可以應用石墨烯的產(chǎn)品能夠規(guī)模化生產(chǎn)，對石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機構(gòu)的研究使用。

石墨烯在國內(nèi)市場上從研發(fā)到應用的時間需要5-10年，需達到成熟的產(chǎn)業(yè)規(guī)模時間則會更長。而國內(nèi)目前并沒有上市公司的主營業(yè)務生產(chǎn)石墨烯，只有幾家生產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品的公司正在進行石墨烯產(chǎn)品的研制，目前都沒有大規(guī)模量產(chǎn)的能力。

不過，在國家及地方政府的支持下，近幾年我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，初步構(gòu)建起以石墨烯原材料、研發(fā)、制備、應用為主體的產(chǎn)業(yè)鏈。截至2015年我國從事石墨烯產(chǎn)業(yè)的企業(yè)已突破千家，產(chǎn)業(yè)化應用已在不斷推進。

隨著政府的積極介入，石墨烯產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步形成政府、科研機構(gòu)、研發(fā)和應用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的“官產(chǎn)學研“合作對接機制，良性發(fā)展態(tài)勢有助于石墨烯企業(yè)充分享受地方政策、稅收優(yōu)惠以及資金支持，未來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有望加速。

中國政府全力發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)園

資料來源：《前瞻產(chǎn)業(yè)研究院石墨烯行業(yè)投資分析報告》

石墨烯行業(yè)投資機會

目前有關石墨烯的專利技術(shù)主要集中下述方面：石墨烯的制備;石墨烯用作鋰離子電池電極材料、太陽能電池電極材料等;石墨烯用于制備半導體器件;石墨烯用于制備復合材料等;石墨烯用于制備觸摸屏、透明電極;石墨烯用于傳感器;石墨烯用于結(jié)構(gòu)材料及石墨烯在晶體管和半導體領域的研究。

從專利的主攻方向來看，制備高品質(zhì)的單層及多層石墨烯是當前石墨烯制備技術(shù)中的重點和難點，同時未來最有可能產(chǎn)業(yè)化推廣應用的領域?qū)⑹请娮有袠I(yè)，包括觸摸屏、透明電極和晶體管等。

也就是說，近五至十年，甚至更長一段時間內(nèi)，上述領域是石墨烯有希望最先產(chǎn)業(yè)化的領域，也是石墨烯最具投資機會的領域。

石墨烯行業(yè)投資機會概述

資料來源：《前瞻產(chǎn)業(yè)研究院石墨烯行業(yè)投資分析報告》

隨著石墨烯制備水平的發(fā)展和石墨烯應用技術(shù)水平的發(fā)展，石墨烯材料能夠應用在更多的下游產(chǎn)品和領域中，這些待開發(fā)的領域都是未來極具投資機會的處女地。

據(jù)預計，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件，在納米電子器件，光電化學電池、超輕型飛機材料等研究領域得到應用。

石墨烯制備水平和應用技術(shù)水平的發(fā)展是相輔相成的，以目前的發(fā)展水平看，電子元件領域的應用對石墨烯的質(zhì)量和技術(shù)要求最高，也最難以實現(xiàn)，預計其應用在10年左右。石墨烯在消費電子類的應用主要需克服制備技術(shù)的難關，這也是目前石墨烯研究中最熱點的方向，預計制備技術(shù)在未來1-2年內(nèi)會有所突破。石墨烯復合材料和石墨烯能源類產(chǎn)品對石墨烯質(zhì)量和應用技術(shù)均有一定要求，預計其在3-5年內(nèi)會有所突破。

未來石墨烯行業(yè)投資機會分析