石墨烯国际发展态势分析

《石墨烯国际发展态势分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《石墨烯国际发展态势分析（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、科 学 观 察 00年 第 卷 第 期万 勇 马 廷 灿 * 冯 瑞 华 黄 健 潘 懿中 国 科 学 院 国 家 科 学 图 书 馆 武 汉 分 馆 武 汉 430071* 通 讯 作 者 E-mail： 1 引 言石墨烯的理论研究始于1947年，迄今已有60多年的历史。但真正能够独立存在的二维石墨烯晶体则是出现在2004年：英国曼彻斯特大学天文物理学教授Andre K. Geim领导的研究小组利用微机械剥离方法首次获得了石墨烯。由于具有优异的力学、热学、电学和磁学性能，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量储存等领域获得广泛应用，石墨烯近年来迅速成为材料科学和凝聚态

2、物理领域的研究热点之一。美国麻省理工学院(MIT)的技术评论曾将石墨烯列为2008年10大新兴技术之一。在2009年12月18日出版的科学杂志中，“石墨烯研究取得新进展”被列为2009年10大科技进展之一。近年来，石墨烯的研究持续升温，新的发现不断涌现。随着对石墨烯制备、性质研究的不断深入，其应用领域也在不断扩大。下文首先解读了美国、欧盟、日本等国家和地区在石墨烯领域的主要政策、规划和计划等；随后，从制备、性质、表征和应用四个方面，具体介绍了近年来国内外石墨烯研究所取得的主要进展；然后借助Thomson数据分析器(TDA)等工具，对近年来石墨烯领域的SCI论文进行了统计分析，分析了各重点国家、

3、重点研究机构、重点期刊、重点论文及其被引用情况；文末，对我国下一步开展石墨烯的深入研究提出了一些对策与建议。摘 要 石墨烯最早由英国曼彻斯特大学科学家于2004年成功制备，因其集优异的力学、热学、电学和磁学性能于一身，迅速成为近年来材料科学和凝聚态物理领域的研究热点之一。随着对其制备、性质研究的不断深入，应用领域日益扩大。该文主要从国际相关研究计划、相关科学研究进展、SCI论文统计分析等几个方面对石墨烯国际发展态势进行了分析，最后提出了我国石墨烯材料与技术的发展对策与建议。关键词 石墨烯 制备 性质 应用 文献计量石墨烯国际发展态势分析2 石 墨 烯 相 关 研 究 计 划 美国、欧盟、日本等

4、国家和地区都非常重视石墨烯的研究开发与应用，发布或资助了大量相关研究项目。. 美 国美国国防部高级研究计划署(DARPA)2008年7月发布了碳电子射频应用项目(总资2 200万美元)，主要开发超高速和超低能量应用的石墨烯基射频电路，即用石墨烯制造电脑芯片和晶体管。该项目的最终目标(2012年9月结题之前)是完成石墨烯晶体管的高性能(10 000 cm2Vs-1霍耳迁移率)、W波段(90 GHz)低噪声放大器的实证研究，以及使200 mm晶圆的产量90，使它们具有成本效益。美国国家科学基金会(NSF)2009年5月发布了石墨烯基材料超电容应用项目，主要研究内容包括：(1)开发石墨烯基电子材料，

5、提高超级电容器性能，使其具有较高的能量和功率密度；(2)表征石墨烯基电子材料的形态、研究报告 SCIENCE FOCUS Vol. 5 No. 3 2010结构和性能特征；(3)加强对石墨烯基超级电容器中电化学双层和决定其性能因素的基本认识；(4)调查离子液体作为石墨烯基超级电容器电解液的相容性；(5)开发新型超级电容器电池组装工艺和电池测试方法。项目研发经费为63.4万美元，研究周期为2009年7月1日至2012年7月30日，由得州大学奥斯汀分校具体负责研究和实施。美国俄亥俄州研究商业化资助项目(ORCGP)资助Nanotek Instruments公司约35万美元用于锂离子电池用纳米石墨烯

6、复合电极的商业化生产。纳米石墨烯复合材料具有较大容量(2000mAhg-1)，是石墨实际容量的68倍。实验已经证明这种材料300多个充放电循环后，还能够保持其结构的完整性和良好性能。这种复合阳极材料可用于电动车等能源存储应用的锂离子电池，研究周期为2009年4月28日至2011年4月28日。美国结构材料工业公司(SMI)2009年11月宣布，获得NSF的小型企业技术转移项目(STTR)一期资助，用于开发以石墨烯为基质的高灵敏度NOx探测器。其合作方为康奈尔大学、南卡罗来纳大学，分别提供石墨烯薄膜生长技术和气体探测器表征技术。. 欧 盟 及 成 员 国欧盟FP7框架计划2008年1月发布了石墨烯

7、基纳米电子器件项目。该项目为FP7的联合研究项目，主要研究“超越CMOS”(Beyond CMOS)领域的技术，参加机构包括德国AMO有限公司、意大利大学纳米电子研究组(IUNET)、英国剑桥大学半导体物理组(UCAM DPHYS)、法国原子能机构(CEA)的LETI和法国STMicroelectronics SAS、爱尔兰科克大学(University College Cork)的Tyndall纳米研究所等组成。项目经费为239万欧元，研究周期为2008年1月1日至2010年12月31日。欧洲研究理事会(ERC)资助了石墨烯物理性能和应用研究项目。项目研究经费为177.5万欧元，研究周期为3

8、年，负责机构为英国曼彻斯特大学物理与天文学院。该项目有三个主要方向：(1)重点研究石墨烯薄膜和独特的一维性能；(2)模拟无质量相对论粒子的石墨烯电荷载体；(3)石墨烯晶体管的应用研究。欧洲科学基金会(ESF)2008年12月发布了扩大石墨烯研究在科学和创新方面的影响力的基金申请项目，即欧洲石墨烯项目(EuroGRAPHENE)，共有19个国家的20个基金资助机构参与该项目的资助。欧洲石墨烯项目是一个4年期的研究计划，需要欧洲范围内广泛而有深度的合作。该项目主要研究领域包括石墨烯物理性能、机械和电子-机械性能、化学修饰，以及寻找设计石墨烯电子特性的新方法和制备以石墨烯为基础的功能应用器件。德国科

9、学基金会(DFG)于2009年7月宣布开展石墨烯新兴前沿研究项目，项目时间跨度为6年。该项目的目标是提高对石墨烯性能的理解和操控，以建立新型的石墨烯基电子产品。基金资助领域主要包括：石墨烯基电子设备的制备；石墨烯电子、结构、机械、振动等性能表征与操控；石墨烯纳米结构制备和表征及性能操控；石墨烯与衬底材料、栅极材料相互作用的理解和控制；输运研究(如声子和电子传输、量子传输、弹道输运、自旋输运)、新型装置示范(如场效应器件、等离子器件、单电子晶体管)以及石墨烯的理论研究(如石墨烯电子和原子结构、电子声子运输、自旋、石墨烯机械和振动性能、纳米结构、器件模拟)等。英国工程和自然科学研究委员会(EPSR

10、C)资助了石墨烯基自旋器件模拟项目，项目承担机构为兰卡斯特大学，项目研究时间跨度为2010年1月1日至2012年12月31日，资助额度为4.9万英镑。EPSRC还资助了石墨烯基晶体管传输模拟项目，项目承担机构也为兰卡斯特大学，时间跨度为2007年10月23日至2010年8月22日，资助额度为19.8万英镑。. 日 本日本学术振兴机构(JST)2007年就开始了对石墨烯硅材料/器件的技术开发项目的资助。该项目的负责机构为日本东北大学。该项目主要是开发“石墨烯硅”材料/工艺技术，并在此基础上开发先进的辅助开关器件(CGOS)和等离子共振赫兹器件(PRGOS)。这项研究将能实现电荷传输无时间、超高速

11、、大规模集成的器件技术。3 石 墨 烯 科 学 研 究 进 展 . 石 墨 烯 的 制 备鉴于石墨烯极好的结晶性以及非凡的电、热、力和磁性，近年来已有越来越多的研究人员参与到石墨烯的制备与合成研究。目前，石墨烯的合成方法主要有四RESEARCH REPORTS科 学 观 察 00年 第 卷 第 期纸还原成单层石墨烯。这是首次报道使用肼作为溶剂，还原出的石墨烯是比之前更为有效的电导体3。. 石 墨 烯 的 性 质 研 究. 物 理 性 质在石墨烯的众多物理性质中，其电子性质被研究得最为深入。石墨烯具有非常独特的电子性质，与其他已知的凝聚态体系都不尽相同。首先也是最多被讨论的是石墨烯的电子谱。电子

12、在穿过石墨烯的六角晶格时，完全失去了其有效质量，从而导致了准粒子(由类Dirac方程而非薛定谔方程进行描述)行为。尽管薛定谔方程在被用于了解其他材料的量子特性时显得非常成功，但对于石墨烯的静质量为零的载流子而言，它却并不合适。第二，石墨烯中的电子波在仅有一个原子厚的薄层中传播，这就使它们容易为各种扫描探针所探测到，也使它们对于其他材料的接近十分敏感，例如高电介质材料、超导材料、铁磁材料等。与传统的二维电子体系相比，石墨烯的这一特性更展现了诱人的前景。第三，石墨烯展现出了一种非常奇特的电子性质。它的电子可以传播长至亚微米的距离而不发生散射，即便对于置于原子级粗糙的衬底上、被吸附物所覆盖以及处于室

13、温下的样品而言依然如此。第四，由于载流子静质量为零，以及较小的散射，因此石墨烯中的量子效应非常活跃，并且在室温下仍然存在。石墨烯在结构上具有延展性，其电学、光学以及声学特性都可以通过应力和形变进行大幅调整。例如，应力可以导致形成局部规范场(local gauge fields)，甚至可以改变石墨烯的带宽结构。对弯曲、折叠以及卷曲的石墨烯的研究也正开始加速。此外，石墨烯以及乱层石墨烯为扫描探针显微镜观测、超临界筛选(super critical screening)、探测局部磁矩、描绘量子场中的波函数、分裂双层(split bilayers)之间的交互效应等提供了绝佳的应用平台4。处于研究探索前

14、沿的是分数量子霍尔效应。. 化 学 性 质石墨烯的化学性质远未被人们所认识。迄今所获得的有关石墨烯的化学性质就是：与石墨的表面类似，石墨烯可以吸附和解吸各种原子和分子(如NO2、NH3、K、OH)。吸附作用微弱，吸附物作为受体或供体；在大多数载流子浓度条件下，会引起变化：因此，石墨烯种：微机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、化学还原法。. 微 机 械 剥 离 法微机械剥离法，简单说即为用胶带撕石墨。2004年，Andre K. Geim等就是用这种方法获得了单层石墨烯，并验证了其独立存在1。他们利用离子束首先在1mm厚的高定向热解石墨表面用氧等离子干刻蚀进行离子刻蚀。在表面刻蚀出宽20m2

15、mm、深5m的微槽，并将其用光刻胶粘到玻璃衬底上，然后用透明胶带进行反复撕揭，随后将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声。再将单晶硅片放入丙酮溶剂中，在范德华力或毛细管力的作用下，单层石墨烯会吸附在硅片上。通过原子力显微镜测量单个石墨烯薄片厚度(在云母衬底上厚度约为1nm)可以验证剥离法制备石墨烯薄片的可行性。. 化 学 气 相 沉 积 法化学气相沉积法(CVD)也是研究人员制备石墨烯的一条途径。韩国成均馆大学纳米科学技术研究院、美国哥伦比亚大学、三星电子综合技术院的研究人员在薄的镍层上利用CVD方法，制备了直径达10cm的大面积石墨烯薄膜。美国得克萨斯大学奥斯汀分校研究人员在甲烷和氢的混合气

16、中通过CVD在一定大小的铜箔上制备出石墨烯，他们首次证明在平方厘米区域内几乎全被单层石墨烯覆盖，只有小部分(不足5%)是双层和三层的薄片2。. 外 延 生 长 法外延生长法是在单晶衬底(基片)上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层的方法。有不少研究人员在SiC等电绝缘衬底上制备合成石墨烯。美国宾州州立大学光电研究中心的David Snyder、Randy Cavalero通过硅升华方法，在高温炉中热处理SiC晶片，得到12个原子层厚度的石墨烯。所采用的SiC直径达100mm，是商业化应用最大的尺寸。. 化 学 还 原 法石墨氧化物、石墨烯氧化物以及其他石墨衍生物都可以作为前驱物通过化学还原的方法制备石墨烯。美国加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所的研究人员将氧化石墨纸置于纯肼溶液中，这种溶液将氧化石墨研究报告 SCIENC