石墨烯是下一個硅嗎

石墨烯是下一個硅嗎
來源：東莞市捷誠石墨制品有限公司 發(fā)布時間：2018-12-08 點擊次數(shù)：826


硅是一種神奇的元素：它無處不在，價格便宜，易于與其他材料匹配，是優(yōu)良的絕緣體，在正常處理中無毒（這里我們不討論二氧化硅粉塵）。觀點：它可以用作集成電路的基板（雖然有新的替代品，如GaAs，但是在可預(yù)見的將來它仍然是硅的世界），作為壓電材料產(chǎn)生正負(fù)壓電效應(yīng)，以及作為微機電系統(tǒng)（MEMS）。在電子、先進(jìn)機械、電化學(xué)和生化傳感器等領(lǐng)域，我們經(jīng)常讀到硅基元件和結(jié)構(gòu)如何引領(lǐng)創(chuàng)新。

現(xiàn)在還有另一種具有類硅性能的材料：石墨烯。和硅一樣，它基于單一富元素（碳）并具有相似的材料優(yōu)勢（當(dāng)然不像硅，它具有高導(dǎo)電性）。用于電子、機械和化學(xué)應(yīng)用。它們可用作電刷觸頭、軸承材料、生物引誘劑和潤滑劑。我們還知道另一種形式的碳是巴克明斯特富勒烯（足球烯烴，一種具有60個碳原子的足球形分子），當(dāng)然還有鉆石。

那么什么是石墨烯呢簡而言之，它是一層碳原子，緊密結(jié)合在六角形蜂窩晶格中。它是由曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家康斯坦丁·謝爾蓋耶維奇·諾沃塞洛夫爵士和安德烈·康斯坦丁漢姆爵士在本世紀(jì)初分析和制造的。他們還贏得了諾貝爾獎。l 2010年物理學(xué)獎。石墨具有非凡的機械性能，包括非常高的比強度。

但是它的應(yīng)用范圍超出了結(jié)構(gòu)材料或部件的范圍。它被廣泛使用，包括電池電極、光學(xué)傳感器，甚至電光材料。最近的幾個應(yīng)用實例可以清楚地說明這一點：

作為傳感器：由加州大學(xué)洛杉磯分校薩繆利工程學(xué)院（UCLA）能源部支持的一個研究小組正在開發(fā)一種利用石墨烯以及金和半導(dǎo)體加工技術(shù)顯著改進(jìn)的光電探測器。窄帶/高靈敏度或?qū)拵?低靈敏度探測器之間的權(quán)衡。它可以工作在寬光譜范圍（從可見光到紅外），并且具有從0.6A/W（0.8m波長）到11.5A/W（20m波長）的響應(yīng)范圍。

圖1：UCLA工程師開發(fā)的光電探測器示意圖顯示了石墨烯納米條（六角形結(jié)構(gòu)）和光源（粉色圓柱體）上的金梳狀納米圖案。

可清洗電路材料：由愛荷華州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組將石墨烯與先進(jìn)的激光加工技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一種低成本、柔性、高導(dǎo)電性和防水的電路。他們使用噴墨打印機沉積石墨烯，然后使用快速脈沖激光技術(shù)處理。石墨烯。即使印刷表面是紙或超薄聚合物，也不會損壞，從而將石墨烯印刷電路從保持水滴(親水性)的特性轉(zhuǎn)變?yōu)榕懦馑?超疏水性)。Ne電路的直接脈沖激光寫入

圖2：直接脈沖激光寫入工藝（上對）和（下對）前后石墨烯表面圖案和潤濕性接觸角的比較。

作為高速電光調(diào)制器：哥倫比亞大學(xué)的研究人員正在使用硅基石墨烯來集成光學(xué)相位延遲元件，該元件可嵌入波導(dǎo)中，用作具有低插入和高折射率特性的靜電可調(diào)諧調(diào)制器。利用石墨烯實現(xiàn)硅光電器件中的Low Power Optical相控陣。

圖3：石墨烯的電光特性。（a）理論吸收率和折射率（I區(qū)高吸收率和II區(qū)低吸收率）隨本征石墨烯的費米能級而變化。（b）所構(gòu)建器件的光學(xué)顯微照片（干涉儀臂的偽影）(c)器件的橫截面顯示石墨烯-HfO 2-石墨烯電容器在Si3N4波導(dǎo)上。

作為人體器官的替代品：清華大學(xué)的一個研究小組開發(fā)了一個基于激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)的智能人工喉。這種智能裝置可以單個單元檢測和產(chǎn)生聲音。生物相容的人工喉附著在喉部以產(chǎn)生識別。聲音和可控的聲音。集成聲學(xué)器件可以根據(jù)石墨烯的熱聲效應(yīng)產(chǎn)生聲音，并根據(jù)其壓阻效應(yīng)檢測聲音。

圖4：(a)人工喉的工作流程；(b)測試者佩戴LIG人工喉(1厘米尺度)；(c)LIG喉檢測高、低和纖細(xì)的音調(diào)，并分別轉(zhuǎn)換成高音量1kHz、低音量10kHz和低音量5kHz的聲音；(d)高音量10kHz的語音放大；(e)low音量10kHz語音放大；（e）低音量10kHz語音放大；（e）低音量10kHz語音放大。kHz聲音放大波；（f）5kHz低音量聲音放大波。（來源：清華大學(xué)）

這些研究將引領(lǐng)我們走向何方仍然是一個無法回答的問題，至少目前還沒有。毋庸置疑，創(chuàng)新往往在很大程度上依賴于超純的、可理解的新材料，從硅到磁盤涂層，再到聚合物和高度精煉的金屬。1959年在加利福尼亞理工學(xué)院召開的美國物理學(xué)會會議上，他提出了一個很好的觀點：底部空間很大：邀請人們進(jìn)入新物理學(xué)領(lǐng)域。科學(xué)的。

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