石墨烯產(chǎn)業(yè)調(diào)研報(bào)告

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1、石墨烯調(diào)研報(bào)告（2015年12月）一、石墨烯介紹石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。（一）基本概念中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的《石墨烯材料的名詞術(shù)語(yǔ)和定義》對(duì)石墨烯進(jìn)行了規(guī)范和定義。石墨烯是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。其中，單層石墨烯是指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形

2、蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。雙層石墨烯是指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子層以不同堆垛方式(包括AB堆垛，AA堆垛，AA’堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。少層石墨烯是指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子層以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。（二）發(fā)展歷史41由于熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在，石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)。直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈?海姆和康斯坦

3、丁?諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯的問(wèn)世引起了全世界的研究熱潮，特別是在2010年諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C布給石墨烯的發(fā)明者之后，石墨烯的基礎(chǔ)科研工作開(kāi)展得如火如荼，與石墨烯相關(guān)的論文專利數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。石墨烯新的制備方法和制備工藝層數(shù)不窮，石墨烯粉體、石墨烯薄膜等石墨烯產(chǎn)品已經(jīng)能夠批量化生產(chǎn)。石墨烯特有的物理及化學(xué)性質(zhì)不斷被發(fā)現(xiàn)，并逐漸應(yīng)用到電池、電容、觸摸屏、芯片制造、防腐劑等領(lǐng)域，與石墨烯相關(guān)的研究

4、和產(chǎn)業(yè)化持續(xù)升溫，各國(guó)及企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)加劇。（三）物理特性石墨烯是目前已知的最薄的一種材料，單層的石墨烯只有一個(gè)碳原子的厚度，這種厚度的石墨烯擁有了許多石墨所不具備的特性，被稱為“完美的材料”、“21世紀(jì)的神奇材料”、“萬(wàn)能材料”。1．超強(qiáng)穩(wěn)定性：石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面41就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。2．極好透光性：石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。石墨烯

5、作為新一代的透明導(dǎo)電材料，在可見(jiàn)光區(qū)，四層石墨烯的透過(guò)率與傳統(tǒng)的ITO薄膜相當(dāng)，在其它波段，四層石墨烯的透過(guò)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ITO薄膜。3．極強(qiáng)導(dǎo)電性：石墨烯中的電子沒(méi)有質(zhì)量，電子的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)了在其他金屬單體或是半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度，能夠達(dá)到光速的1/300，正因如此，石墨烯擁有超強(qiáng)的導(dǎo)電性。4．超高的強(qiáng)度：石墨是礦物質(zhì)中最軟的，其莫氏硬度只有1-2級(jí)，但被分離成一個(gè)碳原子厚度的石墨烯后，性能則發(fā)生突變，其硬度將比莫氏硬度10級(jí)的金剛石還高，卻又擁有很好的韌性，且可以彎曲。5．超大比表面積：由于石墨烯的厚度只有一個(gè)碳原子

6、厚，即0.335納米，所以石墨烯擁有超大的比表面積，理想的單層石墨烯的比表面積能夠達(dá)到2630m2/g，而普通的活性炭的比表面積為1500m2/g，超大的比表面積使得石墨烯成為潛力巨大的儲(chǔ)能材料。6．超高導(dǎo)熱系數(shù)：?jiǎn)蝹?cè)石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK，甚至有研究表面其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)6600W/mK，高于碳納米管和金剛石。優(yōu)異的導(dǎo)熱性能使得石墨烯有望作為超大規(guī)模納米集成電路的散熱材料。41（四）制備方法目前主要制備方法有四種：機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法（CVD法）、外延生長(zhǎng)法、氧化還原法。其中，最有可能率先突破產(chǎn)業(yè)

7、化瓶頸的是CVD法。1．機(jī)械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡(jiǎn)單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結(jié)構(gòu)，但是得到的片層小，生產(chǎn)效率低，難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2．氧化還原法是通過(guò)將石墨氧化，增大石墨層之間的間距，再通過(guò)物理方法將其分離，最后通過(guò)化學(xué)法還原，得到石墨烯的方法。這種方法操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)量高，但是產(chǎn)品質(zhì)量較低。3．外延生長(zhǎng)法主要采用SiC外延法，是通過(guò)在超高真空的高溫環(huán)境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過(guò)自組形式重構(gòu)，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可

8、以獲得大尺寸、較高質(zhì)量的石墨烯，能夠進(jìn)行小批量生產(chǎn)，但是這種方法對(duì)設(shè)備要求較高，且薄片不易與SiC分離。4．CVD法是指反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。CVD法是目前最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制備高質(zhì)量、大面積石墨烯的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質(zhì)量高的特點(diǎn)，但現(xiàn)階段成本較高，工藝復(fù)雜。4