石墨烯如何改变手机行业?

2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯,为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种二维晶体,由碳原子按照六边形进行排布,相互连接,形成一个碳分子,其结构非常稳定;随着所连接的碳原子数量不断增多,这个二维的碳分子平面不断扩大,分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即0.335纳米,相当于一根头发的20万分之一的厚度,1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一种材料,并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。

或许你对“石墨烯”这种材质并不熟悉,但实际上它将有可能改变我们未来的数字生活。从物理学角度来说,它是世界上第一个二维材料、比人类头发细一万倍,拥有柔韧性、透明的形态,并且能够导电。而在科技领域,包括三星、诺基亚等厂商都在致力于石墨烯材质的研发及应用,有望被应用在触摸屏、电池、传感器、晶体管等各种领域。也就是说,石墨烯是一种能够改变手机等数码产品未来形态的技术,主要体现在下面5个方面:

1. 柔软且坚不可摧的触摸屏
柔软且坚不可摧的触摸屏

由于石墨烯柔韧、透明且可以导电的特性,相比传统玻璃,它更适合作为屏幕面板。包括美国德克萨斯大学、韩国成均馆大学均在早期进入此领域进行研究,并取得了一定的成功;而科技公司方面,三星在2011年已经研发出40英寸的石墨烯触摸屏面板、索尼则在2012年进一步将其柔性化。

也就是说,柔性屏幕的发展可能会因为石墨烯技术而取得突破。目前,真正商用的柔性屏幕仍无法实现任意弯曲且不会损坏,预计三星会在此领域率先取得突破,提出柔性石墨烯触摸屏,应用在手机、可穿戴设备领域。

2. 充电速度更快的柔性电池
充电速度更快的柔性电池

同理,石墨烯也能够应用在电池领域,解决目前电池技术的瓶颈。试想一下,一颗能够随意弯曲的电池,不仅更加安全,还可以在20秒内完成充电,显然是柔性屏幕手机的福音。这并非幻想,目前加州大学洛杉矶分校已经研制出石墨烯超级电容,厚度就如一张A4纸一般,并且具有柔韧性,可随意弯曲,量产也比较容易,充电速度是目前锂电池的100至1000倍。

除此之外,石墨烯电池也能够实现更大的容量。美国西北大学在石墨烯间的夹层加入了硅电极,来实现超出目前10倍的容量。这些案例都意味着:未来你的手机不仅会轻薄,电池电量还将达15000mAh、并且在几分钟内就可以充满。

3. 更好的镜头传感器
更好的镜头传感器

目前数码摄像头的传感器材质基本上都是CMOS(互补金属氧化物半导体),尺寸方面几乎很难缩小,所以全画幅单反的体积依然惊人。但如果使用石墨烯,不仅可以将其变得更加小巧、还将具有更高的光线敏感性及更少的功耗。

目前新加坡南洋理工学院研制出的石墨烯传感器,已经拥有相当于CMOS 1000倍的光线敏感性、并减少10倍的功耗,这意味着未来数码相机也许不会再出现噪点、并且可以在保持大画幅的同时减少机身尺寸。

不仅仅是科研机构,诺基亚早在2011年就已经申请了石墨烯传感器专利,我们希望在未来的微软Windows Phone上看到这个特性。

4. 石墨烯晶体管
石墨烯晶体管
石墨烯还有可能被应用在晶体管上,对半导体行业的影响将是巨大的。简单来说,它能够让CPU、GPU更加省电,拥有更好的散热性,集成度也更好,从而实现更广泛的性能提升。
硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽。受物理原理的制约,小于10纳米后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。然而英国科学家发明的新型晶体管将延长摩尔定律的寿命。该晶体管有望为研制新型超高速计算机芯片带来突破。值得一提的是世界最小晶体管的主要研制者也是于2004年开发出石墨烯的人,他们就是英国曼切斯特大学物理和天文学系的安德烈·K·海姆(Andre Geim)教授和科斯佳·诺沃谢洛夫(Kostya Novoselov)研究员。正是因为开发出了石墨烯,他们获得了2008年诺贝尔物理奖的提名。

由上述两人率领的英国科学家开发出的世界最小晶体管仅1个原子厚10个原子宽,所采用的材料是由单原子层构成的石墨烯。石墨烯作为新型半导体材料,近年来获得科学界的广泛关注。英国科学家采用标准的晶体管工艺,首先在单层石墨膜上用电子束刻出沟道。然后在所余下的被称为“岛”的中心部分封入电子,形成量子点。石墨烯晶体管栅极部分的结构为10多纳米的量子点夹着几纳米的绝缘介质。这种量子点往往被称为“电荷岛”。由于施加电压后会改变该量子点的导电性,这样一来量子点如同于标准的场效应晶体管一样,可记忆晶体管的逻辑状态。另据报导,英国曼切斯特大学安德烈·海姆教授领导的科研团队,除了已开发出了10纳米级可实际运行的石墨烯晶体管外,他们尚未公布的最新研究成果还有,已研制出长宽均为1个分子的更小的石墨烯晶体管。该石墨烯晶体管实际上是由单原子组成的晶体管。

5. 更快的网络

相关研究人员表示,由于石墨烯的光学响应率非常高,所以可以作为光纤传导介质,将目前的互联网速度提升100倍。相信随着研究的不断深入,石墨烯会更多被应用在电信基础设施领域。

总结

石墨烯的潜力显然是巨大的,除了上述方向,它还可以用于太阳能电池、气体传感器、海水淡化、航空航天甚至是制造更薄更强韧的保险套。随着研究的深入,包括比尔·盖茨基金会、曼彻斯特大学国家石墨烯研究所、麻省理工学院等众多机构都将加速其发展,相信在未来几年我们会看到它的实际应用价值。

来源:digitaltrends

评论

石墨烯时代来了?洗洗睡吧!

近日,华为总裁任正非在深圳接受中国媒体的采访时表示:“我认为这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代”。再加上此前,国内媒体报道,国内石墨(石墨烯的原料被看做是石墨,其实工业生产中并非如此)有可能会在20年内采集殆尽。这一文一言,让原本就一直热炒不退的石墨烯概念再度爆发。那么,石墨烯时代是不是真的?或者说石墨烯时代已经来了?未必!

石墨烯,一种碳原子组成的单层片状结构的材料,自2004年英国物理学家发现之后,开始占据全球科学热点,至今仍未有退烧的迹象(有数据统计,去年全球发表石墨烯的论文达到了1万篇)。据研究,石墨烯的性能极为优异,诸如最坚硬的纳米材料,电阻率极低,导热系数惊人……由此,科学家们戏称之为“材料之王”,为它描绘了美好的未来:超级电容器、透明电极、锂离子电池、传感器、功能涂料……

那么,这个“材料之王”,容易制备吗?

看起来不难。当年英国两位科学家是用机械剥离法,也就是把石墨两面粘上胶带,然后揭开,如此反复,得到了单层的碳原子结构的石墨烯。

方法很简单,需要的工具也很简单。问题在于成功率很低,需要剥离数百次,如果有一次用力过大,就会破坏样品。材料科研工作就是这样,做出一个好样品,得到好数据,然后发文章。但是这个好样品背后,却是数以百计、千计的坏样品,甚至能不能稳定的得到好样品,都是个问题。

不管怎样,这种方法实在是不适合工业生产。工业生产中主要使用化学气相沉积、化学氧化还原法……方法很多,但是迄今也没有找到能够大规模制备的方法。

而且,目前所使用的工艺经常使得碳原子破裂或撕裂,无法与实验室中完美比例的石墨烯相媲美。如果石墨烯存在缺陷的话,性能将会大大削减。例如完美的石墨烯在断裂前能够经受100吉帕的压力,大约相当于1000000倍的大气压。但有缺陷的石墨烯的断裂强度大约只有前者的十万分之一,性能相对就很普通了。

所以,制备真正具有优良性能的石墨烯,并不是件容易的事。

那市面上所充斥的石墨烯产品又是怎么来的? 这涉及一个“大石墨烯”概念。“大石墨烯”可分为:石墨烯微片(Graphite)、氧化石墨烯(Graphene Oxide)、石墨烯(Graphene)。实际上,世界上承认的,获得诺贝尔奖的,是石墨烯。市面上所宣扬生产“石墨烯”的厂家,基本上在混淆这个概念,生产的都不是真正意义上的石墨烯。

欧盟前段时间启动了”石墨烯“旗舰项目,该项目时长10年,总投入为10亿欧元,成为了全球最大的材料科学研究项目。设想一下,如果以国内作坊式的工厂制备出了大规模的墨烯,欧洲人岂不得撞墙?

还有,”材料之王“真的能颠覆吗? 这也未必。

首先,我们并不需要“材料之王”。我们只需要在保证性能的前提下,成本最低的材料。每一种材料,都有自己的优缺点,有自己的适用范围。换句话说,合适的地方,使用合适的材料。工业应用中,到处都是这样的例子。

钛合金强度高密度小,机械性能好,韧性和抗腐蚀性能很好。那么,是不是钢铁材料的结构材料老大的地位会被钛合金取代呢?显然不会。一款钢架结构的自行车价格大约300元。而一款钛合金结构的自行车一般在4万。谁的销量更多,结果不言而喻。所以,钛合金被用在在需要考虑其性能的环境下,例如航天、航空、航海等领域。例如飞机每减重10%,燃油减少消耗4%。这时候,在部分地方使用钛合金减轻重量,无疑是更划算的。

材料人网前段时间发表的汽车轻量化材料文章中有介绍,使用全碳纤维车身和底盘的汽车,售价400万人民币。它注定只能成为富豪的玩物,而不会开进寻常百姓家。未来,主流汽车将仍然是以钢铁材料为主。

如果从性能和成本上来说,每种材料自有其价值和应用范围,不存在谁颠覆谁。我们常说硅时代取代铁器时代,但用来做刀剑、工具的仍然是钢不是硅。硅只是在一个全新的电子器件领域获得了巨大的成功。所以,即使将来石墨烯发挥了巨大的作用,恐怕也是在一个全新的,其他材料不可替代的领域发挥作用,而不是用来替代现有领域的其他材料。何况,石墨烯颠覆硅有着先天性的缺陷。数字电路的核心是要求要求是能够开关切换。半导体材料具有带隙,能够实现电路的开关。而石墨烯不具备这种性能。

当然,石墨烯的”优良性能“最终能不能化为器件,在某一领域改变人类生活,也是一个未知数。

数十年前,碳六十被发现时,也获得了像今天石墨烯这般追捧,被寄予了可以改变人类生活的”神器“。不但发现者于1996年获得诺贝尔化学奖,而且”21世纪是碳的时代“这种说法也始于此。然而,距碳六十被授予诺贝尔化学奖已经近二十年,至今仍看不多它”改变人类生活“的苗头,反而逐渐淡出人们的视线。碳家族中被追捧过的还有碳纳米管。因其柔韧性,可以拉伸并还原,碳纳米管被称作超级纤维,从问世至今也有20多年了,同样归于平静。

而石墨烯,会不会步它的前辈的后尘,或者被另外一种材料所”颠覆“,同样犹未可知!

快乐地工作!满足地生活!

星期一, 06/30/2014 - 13:48 — 创新网小编

有网友称:来自布朗大学、伯恩斯工程学院等研究团队研究,石墨烯可能会破坏活细胞功能,同时如果通过地下水资源形式容易影响整个环境。石墨烯在初级开发阶段就显现出巨大潜力,亟待解决的就是安全性问题,而不是炒概念,所以这个材料带给我们人类的意义还需要理性看待。

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星期一, 06/30/2014 - 13:50 — 张国斌