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盘点石墨烯12大应用 IC/触摸屏/传感器全都能用?

发布日期:2015-12-14

OFweek半导体照明网讯 石墨烯可谓是2015年最具逼格的词汇,爱学习的胡安搜罗了今年所有关于石墨烯的新闻,想总结下石墨烯都能干些嘛(请读四声)?

好,我发现,除了不能吃、不能喝、不耐热外,似乎石墨烯是个全能儿?就连各种展会上也能碰到一些零售的石墨烯内衣、石墨烯护腰——这这这,简直是在降低我们石墨烯高大上的形象啊。

显而易见,现在太多拿着石墨烯应用炒概念的,要么是借用石墨烯概念拉升股票,要么是借用石墨烯概念来给吹嘘自己已有产品,把数据吹得非常离谱——这些从科学上讲是非常不靠谱的,他们并不是真的石墨烯。

从应用的角度,石墨烯目前还在讲故事的阶段,发展程度上只能说是符合预期,而且在中国,产学研结合进度更是低于预期,前几天清华大学教授王志华更是在公开场合表态:“石墨烯用于IC业?五年内都是一句空话!”

请记得,过度的炒作是一种伤害。

被媒体过度炒作的石墨烯

“神奇材料”石墨烯最先在2004年时被从石墨中分离出来,是由单层碳原子层构成的蜂窝状晶格二维原子晶体。EDN年初也曾报道过石墨烯的八种制作方法(点击原文查看)。

石墨烯大约只有0.34纳米厚——一个单原子的厚度,其特殊的结构形态使其具备目前世界上最硬、最薄的特征,同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。

盘点石墨烯12大应用 IC/触摸屏/传感器全都能用?

这是一种理想的替代型材料,被认为将在半导体、光伏、锂电池、航天、军工、LED、触控屏等大量领域带来材料革命。

胡安整理了一些应用案例,大家可以猜猜哪些更容易商用,或者,还有哪些被漏掉?

应用一:石墨烯触摸屏

盘点石墨烯12大应用 IC/触摸屏/传感器全都能用?

这应该是石墨烯呼声最高的应用。

智能手机最关键的一部分就是有一块既能导电又非常透明的触摸屏。恰好,这正是石墨烯的特性!

而且石墨烯的强度和柔韧性,都比目前的透明电极材料氧化铟锡(ITO)要更好。

早在2010年,韩国成均馆大学和三星公司的研究人员,就制造出由多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲显示屏。当时,论文通讯作者、成均馆大学教授洪秉就提出,他们的方法可用于制造基于石墨烯的太阳能电池、触摸传感器和平板显示器。但他当时也承认,大规模制造和商业化还为时尚早。

不过,五年来的发展,也出乎他的意料。在10月底在青岛召开的石墨烯创新大会上,洪秉熙介绍说,石墨烯透明电极已经广泛地应用于各种各样的柔性光电器件,包括触摸屏传感器、有机发光二极管(OLED)和有机光伏器件。

应用二:石墨烯墨水打印射频天线

英国曼彻斯特大学研究人员与石墨烯生产商BGT材料有限公司合作,用压缩石墨烯墨水打印出射频天线。——科学家将石墨烯材料的应用又向前推进了一大步。

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这种天线灵活、环保,可廉价大批量生产,能够应用在无线射频识别(RFID)标签和无线传感器上。

目前,大多数商用RFID标签由金属铝和铜组成,材料昂贵、制作过程复杂,而基于石墨烯的RFID标签能够大幅度降低材料成本。该研究团队已经开始计划开发石墨烯RFID标签,以及传感器和可穿戴电子产品了。

石墨烯油墨成本低且很柔软,比其他如纳米金属粒子导电油墨的性能还要强大很多。


应用三:石墨烯灯泡

石墨烯可调光灯泡号称可节省10%的能源,使用寿命也更长,内含由英国曼彻斯特大学所设计、外罩石墨烯的灯丝状LED。

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石墨烯灯泡价格每颗约15英镑,这款灯泡的设计是以传统灯泡形状为基础,石墨烯能让灯泡的导电以及散热更有效率。

应用四:更强夜视能力的视觉传感器

现在夜视很多用红外线系统,但是这种设备体积大是个硬伤啊。

于是,研究人员将基于石墨烯的光热电探测器(photothermoelectricdetector)整合在微机械氮化硅薄膜(micrmachinedsiliconnitridemembrane)上。

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叮咚,数据来了:7~9V/W的响应在10.6微米(micron)波长以及23ms时间常数下达成;氮化硅薄膜带来的温度隔离以及宽带红外线吸收,能实现300~500K的黑体目标(blackbodytarget)探测与成像。

此外,石墨烯的高载体迁移率(carriermobility)可用以抵抗噪声,因此免除了冷却技术的需求,并足以在不需低温冷却的前提下侦测来自人体的热辐射。

应用五:芯片上光通讯

“我们已开发出世界上最薄的灯泡!”纽约哥伦比亚大学工程学院教授JamesHone说,这种新型的“宽带”光发射器可以整合到芯片上,可为实现薄如原子、可挠曲及透明的显示器铺路,还能做到基于石墨烯的芯片上(On-chip)光通讯。

今年稍早,曼彻斯特大学(ManchesterUniversity)已发布以石墨烯为基础开发的灯泡,该灯泡是将基于长丝形的发光二极管(LED)涂覆在石墨烯上,而该大学也声称,此可调灯光的LED灯泡可减少10%的耗电量。

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芯片上可见光的关键是开发完全整合“光子(Photonic)”电路,该电路用于灯泡时,可如同现阶段在半导体整合电路的电流。直到现在,研究人员尚未将白炽灯泡放在芯片上,这是因为点燃灯泡所需的温度,微型金属导线无法承受。

石墨烯能达到的温度超过摄氏2,500度,不需要额外放大就可灼伤肉眼。研究人员也发现石墨烯在较高温度下,会变成较差的热导体,这意味着热量会在芯片的中心被限制为一个“热点”。一名研究人员指出,悬浮的石墨烯可被加热到太阳一半的温度,且可靠度比固定在固体基板上的石墨烯高1,000倍。

应用六:侦测气体、检测DNA与蛋白质

由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)与西班牙光子科学院共同组成的一支研究团队,最近利用石墨烯改善了分子检测的红外线吸收光谱。

传统上,这种方法主要利用光激发分子,依据各自性质产生不同的振动,同时创造出一种能以反射光读取的独特标识。

但这种方法并不适用于纳米级分子,因为纳米分子通常比用于检测分子的6微米红外光子波长明显更小。然而,研究人员们发现,石墨烯能够聚光于特定焦点上,从而准确地“听”到纳米级分子的振动。

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石墨烯可实现高敏感度的振动光谱与检测折射率Source:EPFL

根据EPFL,“当光线到达时,石墨烯纳米结构中的电子开始振荡。这种现象被称为‘局部表面等离子共振’,从而将光线集中于微小的焦点,其大小约相当于目标分子的尺寸,因而能够用于检测纳米结构。”

针对这种传感器的潜在应用范围从侦测气体外泄、检测有毒与易爆气体、测量并检测DNA与蛋白质以及水中污染物。

另外,石墨烯拥有较大的比表面积,使其具备了制作高灵敏度传感器的条件,一旦气体被吸附于石墨烯表面,其表面电阻就会出现变化,然后结合电传感检测器,就可以让石墨烯成为一种优异的气体传感器。

应用七:3D成像更精确

劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的研究人员使用单层石墨烯作为一个清晰类透镜盖(Lens-likeCap)—称为石墨烯电池液(GLC)—为单个胶状纳米粒子的原子创造新的成像系统。

这个过程将大大简化反复试验原子级(Atomic-scale)工程学的设计和重新设计过程。

大多数电子产业使用的纳米粒子都存在于流体溶液中,且也被允许可处于干燥状态。常用的透射电子显微镜(TEM)可在纳米粒子干燥后为其成像,但是干燥的流体往往会扭曲纳米粒子的结构,而校正结构的过程通常相当复杂,一个设计完成在之前,须经过反复多次的试验。

OK,石墨烯可作为敏感纳米粒子的保护层。

Ercius的团队第一次使用的新技术,他们称之为“SINGLE”—由石墨烯电池液电子显微镜鉴定的纳米粒子结构—可在计算机中显示3D模型,目的在于设计可以组合在一起的“积木”,以形成更大的特定电子和物理特性架构,满足现今许多产业需求。

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图:SINGLE使用TEM为在GLC中自由旋转的铂纳米粒子成像,以确定个别的胶体纳米颗粒3D结构。

在LBNL,Ercius的下一步将使用更快的每秒400帧的摄影镜头,以更精确的构造出TR3D模型,精准度可超越他们现在拥有的2纳米精准度设备。

应用八:超导体

加拿大英属哥伦比亚大学(UBC)的研究人员,透过掺杂锂后再使其冷却至5.9度绝对温度(Kelvin)。

但这还只是个开始,因为UBC教授AndreaDamascelli希望使用与先前相同的方法,加上他自已的一点秘密配方,从而让掺杂的石墨烯达到更高的临界温度(Tc;即变成超导体)。

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图:锂(黄色)在原始石墨烯(black)晶格中掺杂的原子结构。Source:UBC

Damasdcelli已经在石墨烯原子单层中试验过各种掺杂物了,他并测量这种可吸附的原子是否在表面上扩散,以及附着于石墨烯晶格中。

下一步,Damasdcelli的研究小组以及在全球的其他同事们将共同为掺杂的石墨烯材料调整参数,希望最终能在正常的大气压力与室温下实现超导体,或至少是在可轻松实现商用产品的温度条件下,例如液态氮的温度——77度绝对温度,可望较易于在设备中进行维护。

应用九:即热功能

不能小瞧石墨烯的加热功能。

“用很小电流、很低功率就可以热起来,只有石墨烯和碳纳米管可以做到,这样用一块手机电池就可以驱动。”

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因此,军用、救生用加热衣服是正在开发的一种产品。

其他产品还包括利用石墨烯复合材料的防弹材料和涂料,利用石墨烯薄膜的便携式水处理设备,以及储能电池的改性。

应用十:太阳能电池

在麻省理工学院的一份学术报告中指出,石墨烯已经被视为用于打造第三代太阳能电池的最佳备选材料之一。

很巧的是,苹果公司2013年提交了一份专利申请,申请内容正是关于在一些设备中搭载太阳能电池的解决方案。

“石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。”

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石墨烯太阳能技术的光电转换效率高达60%,是现有多晶硅太阳能技术的2倍。当前市面上的太阳能电池板基本为多晶硅,其光电转换率为30%左右。

与多晶硅不同的是,石墨烯可以作为纳米涂层,涂于设备表面,以获得光电转换的能力。同时也可以制成柔性、透明的光伏电池板。因此,未来具备太阳能电源的设备将更为小巧和美观,同时可以不受太阳能电池板本身的影响而改变产品设计。

另外,石墨烯可作为柔性能量存储,将来用于柔性可穿戴设备,柔性智能设备。

应用十一:观察大脑活动

根据最近一篇刊载在Phys.org上的文章指出,“神经信号的电气监控和刺激是研究脑功能的一种唯一可以依靠的技术,而使用光子(photons)而非电子的新兴光学技术为神经网络结构的可视化及大脑功能的探索,开启了新的契机。

看明白了吧,电气和光学技术具有明显的互补优势,如果能一起使用,就太好了,但难点是:传统金属电极技术太厚了,一般大于500nm,光无法穿透!

——OK,石墨烯有弹性,又柔软,导电性能又良好,而且无毒,正好!

该技术的应用包括神经系统、心脏监护,甚至是隐形眼镜(contactlens)。

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图:传统的金属电极的技术(左上)会阻碍神经组织的视野。

由DARPA的RE-NET计划所资助开发的新的石墨烯传感器技术是可以导电的,且只有4个原子厚,比目前的触点薄数百倍(上中)。这种极薄的厚度使几乎所有的光可以穿越很宽范围的波长。放置在一块与组织形状相符的柔性塑料里衬上之传感器(下方)是概念验证工具的一部分,它展示出了更小、更具透光性的触点,且可同时使用电气和光学方法来对神经组织进行测量与刺激(右上)。数据源:DARPA。

应用十二:储氢材料&药物载体

石墨烯的气体吸附特性,也让其成为新型储氢材料,可以在室温、安全压力下快速可逆地吸放氢气,较高的热稳定性。

石墨烯独特的二维层状结构和良好的生物相容性,使其能很好地作为药物载体。科学家将石墨烯与抗肿瘤药物反应制得复合物,可在人体内缓慢释放药物,而且药物的负载量远远高于传统的药物载体。

文章来源:EDN China






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