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石墨烯是下一个硅吗?

时间:2018-11-22 作者:Bill Schweber 阅读:
石墨烯具有非凡的机械特性,包括非常高的比强度。但它的用途超过了结构材料或构件的范畴。其应用广泛,包括电池电极、光学传感器,甚至电光材料。

硅是一种神奇的元素:它到处都是,价格低廉,容易跟其他材料配合,是绝佳的绝缘体,在正常处理中无毒(我们这里不讨论硅尘)。除了这些基本特性之外,从应用角度看,它还是一种神奇的材料:可作为IC的衬底(虽然有较新的替代材料,如GaAs,但在可预见的未来仍是硅的世界),作为压电材料产生正、逆压电效应,以及作为微机电系统(MEMS)。在电子、先进机械、电化学和生化传感器等方面,我们经常读到有关硅基元件和结构如何引领创新的文献。

现在出现了另一种材料,具有类似硅的特性:石墨烯。与硅一样,它基于一种单一的丰富元素(碳),并具有类似的材料优势(当然,与硅不同,它具有高导电性)。碳和石墨(碳的一种灰色、结晶的同素异形体)长期以来一直用于电子、机械和化学应用,可以用作电刷触点、轴承材料、生物引诱剂和润滑剂等多种用途。我们还知道,碳还有一种形式是巴克敏斯特富勒烯(即足球烯,一种含有60个碳原子的足球形分子),当然还有钻石。碳具有相当多的外观形式。

那么,什么是石墨烯?简而言之,它是一种单层碳原子,紧密地结合在一个六角形的蜂窝晶格中。它是在本世纪初由英国曼彻斯特大学的物理学家康斯坦丁·谢尔盖耶维奇·诺沃塞洛夫爵士和安德烈·康斯坦丁·盖姆爵士分析和制造出来的。他们还因此在2010年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯具有非凡的机械特性,包括非常高的比强度。

但它的用途超过了结构材料或构件的范畴。其应用广泛,包括电池电极、光学传感器,甚至电光材料。最近的几个应用实例可以清楚地说明这一点:

作为传感器:由加州大学洛杉矶分校(UCLA)Samueli工程学院能源系支持的一个研究小组正在利用石墨烯,以及黄金和半导体加工技术,开发一个大幅改进的光电探测器。这种新型探测器超越了窄带/高灵敏度或宽带/低灵敏度探测器之间的权衡,可在很宽的频谱范围内工作(从可见光到红外区域都可以),响应度范围从0.6A/W(0.8μm波长)到11.5A/W(20μm波长)。(参见《Gold-patched graphene nano-stripes for high-responsivity and ultrafast photodetection from the visible to infrared regime(金贴片石墨烯纳米条纹,可实现从可见光到红外区域的高响应度和超快速光电探测)》。)

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图1:由UCLA工程师开发的光电探测器示意图,显示在石墨烯纳米条纹(六边形结构)和光源(粉红色圆柱体)上有金梳状纳米图案。(图片来源:UCLA)

作为可清洗电路材料:由爱荷华州立大学领导的一个团队结合了石墨烯和先进的激光加工技术,开发出一种低成本、柔性、高导电和防水的电路。他们使用喷墨打印机来沉积石墨烯,然后利用快速脉冲激光工艺来处理石墨烯,即使打印表面是纸或超薄聚合物,也不会将其损坏,从而将石墨烯印刷电路从保持水滴的特性(亲水性)转换为排斥水的特性(超疏水性)。(参见《Superhydrophobic inkjet printed flexible graphene circuits via direct-pulsed laser writing(通过直接脉冲激光写入的超疏水性喷墨印刷柔性石墨烯电路)》。)

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图2:在直接脉冲激光写入流程之前(上面的一对)和之后(下面的一对)的(左边)石墨烯表面图案和(右边)润湿性接触角对比。(图片来源:爱荷华州立大学)

作为高速电光调制器:哥伦比亚大学的研究人员正在使用硅基石墨烯来集成一种光学相位延迟元件,可以将之嵌入波导中,并作为静电调谐调制器,它具有低插入和高折射率特性。(参见《Low Power Optical Phase Array Using Graphene on Silicon Photonics(在硅光电器件上使用石墨烯实现低功耗光学相控阵)》。)

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图3:石墨烯的电光特性。(a)随本征石墨烯费米能级变化的理论吸收率和折射率(区域I高吸收、区域II低吸收)。(b)构造器件的光学显微照片(干涉仪臂伪色)。(c)器件横截面,显示在Si3N4波导上有石墨烯-HfO2-石墨烯电容器。 (图片来源:哥伦比亚大学)

作为人体器官替代品:清华大学的一个团队开发出了一种基于激光诱导石墨烯(LIG)的智能人造喉咙。这种智能装置可以以单个单元来检测和产生声音。生物相容性人造咽喉附着在喉部,旨在产生可识别和可控制的声音,而集成式声学装置可以根据石墨烯的热声效应产生声音,并根据其压阻效应检测声音。(参见《An intelligent artificial throat with sound-sensing ability based on laser induced graphene(基于激光诱导石墨烯的智能人造喉咙具有声音感知能力)”。)

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图4:(a)人造喉咙的工作流程;(b)测试者佩戴LIG人工喉咙(1cm比例尺);(c)LIG喉部检测到高音量、低音量和细长音调,并分别转换为高音量1kHz、低音量10kHz和低音量5kHz声音;(d)高音量10kHz声音的放大波;(e)低音量10kHz声音的放大波;(f)低音量5kHz声音的放大波。(图片来源:清华大学)

以上这些研究会将我们引向何方,还是一个无法回答的问题,至少目前还不能。毫无疑问,创新通常高度依赖于超纯、易懂的新材料,从硅到磁盘涂层,再到聚合物和高度精炼的金属等都是如此。1959年在加州理工学院举行的美国物理学会会议上,才华横溢且反叛传统的物理学家理查德·费曼的演讲很好地指出了这一点:《There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics(底层有大量空间:进入新物理学领域的邀请函)》。他对纳米技术和纳米材料可能性的预见已证明具有高度先见之明。

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