在中國科學(xué)院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范看來，業(yè)界應(yīng)對石墨烯產(chǎn)業(yè)保持耐心。劉忠范表示：“石墨烯作為一種新材料，從研發(fā)到大規(guī)模應(yīng)用，是一個循序漸進的過程，不可能一蹴而就，需要遵循‘料材器用’和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)律?！?/div>

工作人員在石墨烯薄膜生產(chǎn)示范中心進行材料生產(chǎn) 原文配圖

A3尺寸石墨烯薄膜、四/六英寸單晶石墨烯晶圓、石墨烯玻璃纖維、超級石墨烯玻璃……走進北京石墨烯研究院的展廳，就仿佛進入了神奇的石墨烯世界。石墨烯是目前已知的最薄也最堅硬的納米材料，具有超薄、超輕、超柔韌、超高強度、超強導(dǎo)電性、導(dǎo)熱和透光性等特性，其規(guī)模化應(yīng)用一直被業(yè)界寄予厚望。但在中國科學(xué)院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范看來，業(yè)界應(yīng)對石墨烯產(chǎn)業(yè)保持耐心，他在接受《中國電子報》專訪時表示：“石墨烯作為一種新材料，從研發(fā)到大規(guī)模應(yīng)用，是一個循序漸進的過程，不可能一蹴而就，需要遵循‘料材器用’和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)律?！?/p>

遵循規(guī)律專注研發(fā) 靜待市場花開

石墨烯是由碳原子緊密堆積而成的二維晶體，是目前已知的最薄也最堅硬的納米材料，具有超薄、超輕、超柔韌、超高強度、超強導(dǎo)電性、優(yōu)異的導(dǎo)熱和透光性等特性，集透光性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等多種優(yōu)異性能于一身，在電子學(xué)、光學(xué)、儲能和傳感器等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛能。

在看到石墨烯產(chǎn)業(yè)巨大市場潛力后，一些與石墨烯有關(guān)的產(chǎn)品開始得到推廣和應(yīng)用。劉忠范向《中國電子報》記者表示，石墨烯新能源電池、石墨烯防腐涂料和石墨烯大健康產(chǎn)品是目前國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)最熱的“三大件”。劉忠范通過幾個數(shù)字告訴記者國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀：“在目前的石墨烯應(yīng)用中，石墨烯新能源電池占了71%。另一個是石墨烯涂料，全國有幾百家企業(yè)在做石墨烯防腐涂料相關(guān)的事情。再有就是石墨烯大健康產(chǎn)品，占據(jù)7%左右。這三塊合計將近90%?！?/p>

“超級石墨烯電池”可在8分鐘內(nèi)充滿80%的電量，續(xù)航里程超過1000km……在經(jīng)歷了一段“神化石墨烯”的市場炒作期之后，劉忠范指出，石墨烯正處于炒作高峰過去的市場冷靜期。這里的“冷”并不是指產(chǎn)業(yè)遇到困難后的挫敗，而是業(yè)界的理智與市場的安靜。劉忠范坦言，在這段相對沉靜的時期，人們應(yīng)降低對石墨烯的過高期待，腳踏實地并遵循技術(shù)發(fā)展的客觀規(guī)律，對石墨烯產(chǎn)業(yè)進行持續(xù)性的技術(shù)研發(fā)。

現(xiàn)階段，劉忠范帶領(lǐng)的團隊瞄準石墨烯產(chǎn)業(yè)，正在全方位開展石墨烯基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)研發(fā)。劉忠范向記者介紹說：“當前我們團隊主要在石墨烯的材料制備方面進行研發(fā)。具體來講，石墨烯材料主要分為三大類，分別是石墨烯粉體材料，石墨烯薄膜材料和介于兩者之間的纖維材料。目前，4英寸單晶石墨烯晶圓、6英寸單晶石墨烯晶圓、A3尺寸石墨烯薄膜和超潔凈石墨烯都已實現(xiàn)量產(chǎn)?！?/p>

據(jù)介紹，萬片萬米級的石墨烯薄膜材料已經(jīng)實現(xiàn)了中試規(guī)模生產(chǎn)，目前，劉忠范帶領(lǐng)的團隊正在等待市場需求的真正爆發(fā)。他表示，自己研究團隊的首要任務(wù)是專注研發(fā)，集中精力把石墨烯材料做好，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)?！凹夹g(shù)上做到了冗余，一旦石墨烯的應(yīng)用實現(xiàn)突破，我們就可以大規(guī)模生產(chǎn)，不存在技術(shù)壁壘。”劉忠范笑著對記者說，“研發(fā)加上中試規(guī)模的生產(chǎn)已經(jīng)讓我們在這個領(lǐng)域得到了積累，剩下要做的是繼續(xù)在研發(fā)路上前行，然后靜待市場花開。”

成本和規(guī)?；苽?影響石墨烯產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵

作為一種新型材料，石墨烯材料的發(fā)展現(xiàn)狀是“理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感”。劉忠范對《中國電子報》記者坦言，目前石墨烯市場上的很多石墨烯材料都不是很“靠譜”。

2018年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者康斯坦??？諾沃肖洛夫同新加坡國立大學(xué)另一教授一起在《先進材料》上發(fā)表了一篇文章，他們檢驗了全世界60多家企業(yè)的粉體石墨烯材料，發(fā)現(xiàn)在絕大多數(shù)企業(yè)提供的樣品中，石墨烯含量不足10%。劉忠范向記者表示，石墨烯是純碳材料，里面是100%的碳。但現(xiàn)在的情況是，目前絕大多數(shù)所謂“石墨烯材料”的碳含量不超過60%，也就是說，有超過40%的石墨烯材料成分連碳都不是?！斑@就是現(xiàn)在的問題，在石墨烯材料上面，業(yè)界還有很多需要努力的空間?！眲⒅曳墩f。

在諸多需要努力的方面中，規(guī)模化制備水平的提高是推動石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大關(guān)鍵要素。劉忠范對記者表示，石墨烯產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展的初級階段，這個階段需要讓規(guī)?；苽涑蔀榭赡?。劉忠范指出，產(chǎn)品要想從實驗室走出、往規(guī)?；较虬l(fā)展，需要具有很高的質(zhì)量和極強的一致性、穩(wěn)定性。但是目前，石墨烯產(chǎn)品的規(guī)?；苽鋮s不容易。

其中，石墨烯的剝離是一大難點。用膠帶粘出來的諾貝爾物理學(xué)獎曾被傳為一段“佳話”：用一片膠帶去粘另一邊片膠帶上的石墨，再撕下來就可以讓石墨片變薄，這是一種非常實用且有趣的剝離方法。不過，劉忠范告訴記者，粉體石墨烯的剝離不是使用膠帶，而是用一種化學(xué)方法，例如通過硫酸和強氧化劑去煮，把粉體石墨烯一層層剝離出來。但現(xiàn)在的難點是，石墨烯剝離的層數(shù)從1層到100層都有，很難控制。

石墨烯的生長也是一個難題。劉忠范表示，薄膜石墨烯一般是在高溫爐子里燒出來的。在1000℃的高溫加熱爐里用銅箔做催化劑，就可以在銅箔上面長一個原子層的石墨烯?！半m然能長出來，但是卻長得不好?！眲⒅曳秾τ浾哒f，“石墨烯原子像拍得非常漂亮，但實際做出來的東西缺陷很多、質(zhì)量很差?！?/p>

規(guī)模化制備的不一致性、不穩(wěn)定性和低質(zhì)量是石墨烯實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸。除規(guī)模量產(chǎn)之外，成本問題也是石墨烯走向市場的一大難點。劉忠范以“纖”姿百態(tài)的柔性顯示為例告訴記者，具有導(dǎo)電特性的石墨烯可以做柔性屏幕。但需要注意的是，經(jīng)過疊層處理后，石墨烯的導(dǎo)電性和透光性還需要進一步提升，這些材料本身和工藝上問題的解決會大幅增加生產(chǎn)成本，使石墨烯柔性屏幕喪失性價比優(yōu)勢與市場競爭力。“一張A3尺寸石墨烯薄膜材料的價格是2萬元人民幣。這樣的價格，與現(xiàn)有顯示技術(shù)相比，根本不具競爭力。”劉忠范說。

石墨烯晶圓不是好出路 應(yīng)尋更多應(yīng)用突破口

人們對新事物總是有很多期許和憧憬。盡管目前石墨烯材料的規(guī)?；苽溥€存在難點，但石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景仍充滿光明。

半導(dǎo)體行業(yè)被很多人視作石墨烯材料大顯身手的舞臺。后摩爾時代，啟用新材料被認為是解決芯片性能問題、突破芯片制造物理瓶頸的出路之一。作為“黑金”和“新材料之王”，石墨烯在業(yè)界備受矚目。

劉忠范等研究人員的最新研究進展書寫了石墨烯在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的新篇章。一直以來，我國氮化物核心材料、器件的原始創(chuàng)新能力較為薄弱，核心專利技術(shù)不足。同時，由于缺乏同質(zhì)襯底，氮化物材料一直通過金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在藍寶石、硅、碳化硅等單晶襯底上進行異質(zhì)外延。單晶襯底的尺寸、成本、晶格失配、熱失配、導(dǎo)熱導(dǎo)電性等限制了氮化物材料的發(fā)展。在這種情況下，劉忠范等研發(fā)人員在玻璃襯底上采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，發(fā)展了一系列石墨烯晶圓制備方法，通過“異構(gòu)外延”減弱了氮化物對單晶襯底的依賴，對于擴大半導(dǎo)體外延襯底選擇范圍、豐富半導(dǎo)體異質(zhì)外延概念、實現(xiàn)面向后摩爾時代的片上物質(zhì)組裝和異構(gòu)集成，具有非常重大的意義。

石墨烯在后摩爾時代半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用初見曙光，但在劉忠范看來，石墨烯材料還是應(yīng)該找到自己真正的應(yīng)用突破口，而不是“鳩占鵲巢”，把硅材料從半導(dǎo)體行業(yè)“攆走”。劉忠范表示，硅集成電路的工藝路線都是根據(jù)硅的自身性質(zhì)量身定制的。如果想讓石墨烯入局替代硅材料，那就必須重新打造出一條符合石墨烯材料的工藝和邏輯，這無異于天方夜譚。

“替代硅、把硅從集成電路領(lǐng)域踢出局很難，但是新的東西一定有自己的生存空間?！眲⒅曳断蛴浾弑硎?，盡管試圖通過“石墨烯晶圓”來替代硅晶圓，在半導(dǎo)體行業(yè)實現(xiàn)彎道超車并不現(xiàn)實，但石墨烯材料非常有希望尋找到自己真正的應(yīng)用突破口。

在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，石墨烯基半導(dǎo)體照明利用石墨烯作為III族氮化物材料（AIN、GaN）外延生長的緩沖層，能夠緩解大功率LED散熱等問題，進一步提高光電轉(zhuǎn)換效率；在新能源汽車領(lǐng)域，將傳統(tǒng)銅制充電槍頭經(jīng)石墨烯生長工藝處理和表面改性，烯銅充電槍可解決大電流快速充電條件下的產(chǎn)熱和環(huán)境侵蝕問題；以柔性的一維纖維形態(tài)發(fā)揮出石墨烯獨有功能，超級石墨烯纖維有望給便攜式能源、可穿戴電子器件等行業(yè)帶來顛覆性變化。劉忠范向記者表示，經(jīng)過高溫爐子處理，在玻璃纖維上長上一層石墨烯，生產(chǎn)出的布不僅像紙一樣輕薄，還具有極好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；通過喂蠶吃少量石墨烯，蠶吐出的蠶絲的強度能夠超過30%，手感更好，用起來也更涼爽。

“有人把石墨烯做成電子皮膚，這也是我們正嘗試做的東西?！眲⒅曳侗硎?，石墨烯電子皮膚貼到人身上后，能夠測量脈搏、血壓和體溫等人體體征，為人們的健康保駕護航。在有關(guān)醫(yī)療健康的其他領(lǐng)域，石墨烯水凝膠具有優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、抗菌性及遠紅外理療功能，可用作神經(jīng)修復(fù)、人工軟骨、智能面膜、敷貼、醫(yī)用電極；石墨烯透明電極具有優(yōu)異的生物組織相容性和磁共振成像兼容性，可用來制作高性能神經(jīng)接口，進行生物醫(yī)療檢測。