利用現(xiàn)有技術(shù)，對石墨烯及相關(guān)材料進(jìn)行不同組合產(chǎn)生的新產(chǎn)品將刷新一系列固有認(rèn)知。無論從材料技術(shù)、組件技術(shù)來看，還是從系統(tǒng)集成來看，這種革命背后蘊藏著多功能應(yīng)用。隨著石墨烯技術(shù)的推廣，石墨烯的應(yīng)用也將越來越成功。圍繞石墨烯相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域，本文從石墨烯產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)發(fā)展方向上進(jìn)行了一系列探索性研究，從而探討了石墨烯產(chǎn)業(yè)作為21世紀(jì)具有顛覆性的技術(shù)具有廣闊發(fā)展前景。

1  基于石墨烯的顛覆性技術(shù)

2010年諾貝爾物理學(xué)獎已經(jīng)承認(rèn)了石墨烯物理性質(zhì)的新穎性。與普通半導(dǎo)體和其他電子材料相比，石墨烯具有許多優(yōu)異特性，而這些性質(zhì)的組合在任何其他材料中都不能被找到。對于石墨烯獨一無二的性質(zhì)，新技術(shù)和大型研究的最終目的將是將其應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展（圖1）。

圖1 石墨烯的產(chǎn)品化

石墨烯的這些屬性有機會讓一些應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實，比如，在電子應(yīng)用領(lǐng)域包括高頻設(shè)備、觸摸屏、靈活的可穿戴設(shè)備、超靈敏的傳感器、納米機電系統(tǒng)、超密度數(shù)據(jù)存儲及光子器件等，在能源領(lǐng)域包括電池和超級電容器來儲存和運輸電力，以及太陽能電池等。從長遠(yuǎn)一些來看，石墨烯最具吸引力的潛力在于其傳導(dǎo)光和電的能力方面，如發(fā)光二極管（LED）、柔性觸摸屏、光電探測器，以及改進(jìn)超快激光器的性能等。圖2展示了石墨烯在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

圖2 石墨烯在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

2  國內(nèi)外石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本情況

世界各國在機構(gòu)、資金和整體架構(gòu)等方面對石墨烯產(chǎn)業(yè)積極布局謀劃，發(fā)達(dá)國家在研究深度上已經(jīng)走在了前列，而且目前在涉及石墨烯的多個應(yīng)用領(lǐng)域掌握了主導(dǎo)權(quán)。國外的跨國公司主動與研究石墨烯技術(shù)的相關(guān)科研機構(gòu)、高校等進(jìn)行合作，投入人力、物力、財力構(gòu)建石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈，如規(guī)模化生產(chǎn)石墨烯、石墨烯粉體、石墨烯薄膜等，積極研發(fā)商業(yè)化應(yīng)用。

我國自2012年以來，相繼出臺了多項政策措施，成立了石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，發(fā)布了石墨烯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，石墨烯涉及的部分技術(shù)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)且處于國際領(lǐng)先水平。在空間布局上，石墨烯產(chǎn)業(yè)主要集中在長江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)、山東地區(qū)和京津冀區(qū)域，這些地區(qū)陸續(xù)形成了各具特色的石墨烯產(chǎn)業(yè)化基地和產(chǎn)業(yè)園區(qū)。2010-2017年，我國石墨烯企業(yè)快速增加和成長起來，從135家增加到1093家。

3  石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)及方向分析

石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)正在穩(wěn)步推進(jìn)，在性能的穩(wěn)定性和提升方面伴隨著一些挑戰(zhàn)，包括面向材料/能源的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用和面向器件/ICT應(yīng)用的晶圓級集成等，圖3所示為石墨烯的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。石墨烯的“質(zhì)量”無法用絕對值表示出來，也不好定義屬性的優(yōu)劣，而是取決于具體產(chǎn)品中應(yīng)用的情況。例如，高性能電子需要石墨烯的“質(zhì)量”是無缺陷且平整的，電池或超級電容器則是應(yīng)用了石墨烯材料有缺陷、空洞和孔洞的特質(zhì)，對于石墨烯不同標(biāo)準(zhǔn)要求依據(jù)的是產(chǎn)品如何應(yīng)用及其應(yīng)用領(lǐng)域。

1.1  電子領(lǐng)域

石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)為電子設(shè)備上，主要集中在石墨烯打開帶隙、石墨烯微電子和納米電子、高頻電子學(xué)、電子發(fā)射、自旋電子學(xué)、傳感器、柔性電子等方向。

在集成電子系統(tǒng)中引入更多的功能將使應(yīng)用領(lǐng)域（即通過分布式傳感器、執(zhí)行器和控制器進(jìn)行家庭自動化）、環(huán)境控制和辦公自動化應(yīng)用滿足社會對于安全、健康和舒適的要求。提高自動化水平也考慮到了人口老齡化和勞動力的老齡化問題，以及對相適應(yīng)設(shè)備的需求。如，基于石墨烯的傳感器或計量設(shè)備可以進(jìn)一步擴展混合電路的功能。基于石墨烯的三維設(shè)備集成可以在硅（Si）流中實現(xiàn)，并且可以作為具有擴展功能的低成本芯片的解決方案。

石墨烯具有許多記錄特性，它比塑料透明，但導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性比任何金屬都好，是一種彈性薄膜，表現(xiàn)為不透水膜，且化學(xué)惰性和穩(wěn)定性都比較好，因此，石墨烯似乎是理想的下一代透明導(dǎo)體。在各種顯示器和觸摸屏的制造過程中，由于銦的脆性使得在柔韌性要求高的情況下難以使用，因此迫切需要找到一種銦錫氧化物（ITO）的替代品。石墨烯成為了這種應(yīng)用的理想候選材料，加上與碳的豐富性結(jié)合，為ITO提供了可替代性材料，基于石墨烯的顯示器原型已經(jīng)生產(chǎn)出來，商業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)迫在眉睫。

2010年，首次報道了30英寸石墨烯透明導(dǎo)體的R2R（卷對卷）產(chǎn)品，具有低薄層電阻和90%透射率，可以與ITO等商業(yè)透明導(dǎo)電體競爭。石墨烯電極已被應(yīng)用于能夠承受高應(yīng)變的全功能觸摸屏中，因此，人們可以設(shè)想開發(fā)靈活、便攜和可重新配置的電子設(shè)備。隨著高速石墨烯電路的演示，開啟了新的思路，提供的高帶寬可能會影響未來的低成本智能手機和顯示屏。

目前用于集成電路的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)正迅速接近晶體管小型化的極限，石墨烯被《國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖》認(rèn)為是后硅電子學(xué)的候選材料。然而，一個滿足CMOS技術(shù)所有要求的石墨烯低功耗器件還沒有被證明。生產(chǎn)石墨烯電路所需的技術(shù)仍處于初級階段，在平坦的介質(zhì)表面生長具有良好電性能的大面積薄膜還沒有得到證實，新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)不一定基于石墨烯帶。

2011年第一個晶圓級石墨烯電路（寬帶頻率混頻器），其中包括石墨烯場效應(yīng)晶體管和電感器在內(nèi)的所有組件集成在一個碳化硅（SiC）晶片上，該電路作為一個頻率高達(dá)10GHz的寬帶射頻混頻器運行，具有熱穩(wěn)定性，在溫度300～400K范圍內(nèi)性能幾乎沒有降低，這表明具有復(fù)雜功能的石墨烯器件可以被實現(xiàn)。

石墨烯只有一個原子厚，似乎是最終實現(xiàn)新一代柔性電子器件的合適候選材料。基于石墨烯來開發(fā)薄且靈活的電子元件，并將其模塊化集成，可以組裝和分配給薄的便攜式設(shè)備。石墨烯可以承受機械變形，折疊時不會斷裂，通過所謂的“應(yīng)變工程”，這種特性提供了方法可以調(diào)整電子性能，這種可折疊設(shè)備將能實現(xiàn)集成和分布的創(chuàng)新概念。

通過實現(xiàn)柔性電子學(xué)，石墨烯將允許使用有機電子（用于顯示器、導(dǎo)電聚合物、塑料、可印刷電子的有機發(fā)光二極管）去組織現(xiàn)有知識庫和基礎(chǔ)設(shè)施，為收集和支持許多分布式技術(shù)能力提供協(xié)同框架。

1.2  能源領(lǐng)域

石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)為能源存儲和轉(zhuǎn)換上。能源可以根據(jù)各種預(yù)期用途采用不同方式存儲，每種方法都有其優(yōu)缺點，基于發(fā)展可持續(xù)能源和可再生能源的需求，使研究集中于太陽能、風(fēng)能等方面。此外，便攜式能源也成發(fā)展趨勢，不僅用于便攜式設(shè)備，而且還用于運輸，以減少對化石燃料的依賴。為了應(yīng)對類似的挑戰(zhàn)，石墨烯在能源領(lǐng)域的研究主要集中在電池、超級電容器、燃料電池和儲氫、石墨烯太陽能電池、熱電器件、納米發(fā)電機等方向。

石墨烯為當(dāng)前與能源生產(chǎn)和存儲相關(guān)的挑戰(zhàn)帶來了新的解決方案，首先是納米增強型產(chǎn)品，然后是納米新型產(chǎn)品。基于石墨烯的能源生產(chǎn)系統(tǒng)（光伏、燃料電池）、能源存儲（超級電容器、電池和氫存儲）可以通過相關(guān)的概念演示來進(jìn)行，朝著工業(yè)應(yīng)用的目標(biāo)研究開發(fā)。此外，石墨烯技術(shù)可能提供新的電力管理解決方案，這是實現(xiàn)能源高效安全使用的關(guān)鍵。

1.3  材料領(lǐng)域

石墨烯在材料領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)為復(fù)合材料上。石墨烯作為填充來增強復(fù)合材料的性能是石墨烯在材料應(yīng)用中的重要研究方向，主要集中在聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、基于化學(xué)改性石墨烯的二維有機/無機納米復(fù)合材料、光子聚合物復(fù)合材料等方向。

石墨烯是工程新材料的理想候選材料，石墨烯的“全表面”特性提供了通過表面處理調(diào)整其性能的機會，例如，石墨烯已經(jīng)轉(zhuǎn)化為帶隙半導(dǎo)體（氫化石墨烯或“石墨烯烷”）或絕緣體（氟化石墨烯或“熒光石墨烯”）。此外，石墨烯薄片可以分散放置，他們保留了許多優(yōu)異性能，可用于實現(xiàn)復(fù)合材料（如嵌入聚合物基體）的性能改進(jìn)。石墨烯不僅因為自身的性質(zhì)而重要，而是因為它是一種新型材料的典范，隨著石墨烯技術(shù)的崛起，這類材料將不斷發(fā)展壯大，如六方氮化硼和輝鉬礦單層等。

4.  結(jié)語

從實驗室中隨機產(chǎn)生的微米級薄片到大規(guī)模卷式生產(chǎn)，石墨烯實現(xiàn)了快速發(fā)展。在未來，各國政府及企業(yè)將會針對石墨烯技術(shù)應(yīng)用持續(xù)進(jìn)行深入和廣泛的研究，解決一些技術(shù)障礙和問題，進(jìn)一步促進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)上中下游的全鏈發(fā)展。目前，雖然石墨烯具有的內(nèi)在新穎性和技術(shù)成熟度都還欠缺，但是把石墨烯和相關(guān)材料從實驗室?guī)肷鐣瑢榕c石墨烯相關(guān)的諸多產(chǎn)業(yè)帶來新一輪革命，既可以促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)增長，也將創(chuàng)造更多技術(shù)革新與突破。