最薄石墨烯如何撬动千亿版图

石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,且能够弯曲,有“新材料之王”、“黑金”等美誉。石墨烯具有超强导电性、良好的热传导性、良好的透光性、溶解性、渗透率、高柔性和高强度等出色的材料特性。

欧美企业正占据全球石墨烯产业链关键环节,在供应链全面发展和规模经济效益实现之前,石墨烯产品在短期内价格仍相对昂贵。在当前,我国石墨烯行业正处于市场导入期,产业规模想要达到成熟阶段,可能需要5-10年甚至更长的时间,未来石墨烯产品的商业场景及价格还有更多的想象空间。

出道即巅峰 斩获诺贝尔物理学奖

石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,且能够弯曲,有“新材料之王”、“黑金”等美誉。

石墨烯具有超强导电性、良好的热传导性、良好的透光性、溶解性、渗透率、高柔性和高强度等出色的材料特性。

石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的晶体,自然界中本来就存在石墨烯,也可以用机械剥离法从石墨材料中进行剥离。

2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯的应用关键在于其生产能力能否同现有的半导体制造工艺完美契合,必须有足够供应才能提高产量,而不是仅限于价格过高的小批量生产。

要做到这一点,就需要一种可以在大范围内沉积石墨烯的方法。

几十年前半导体行业也发生过类似的事情。

杰克·基尔比组装的早期集成电路原型提供了一些可能的想法,但还没有在商业范围内可行的最终产品。直到一种大规模生产这些设备的有效方法出现,业界才真正开始腾飞。

几年后,当这一目标最终实现后,集成电路的销量以接近指数级的速度开始逐年增长,而非逐渐增长。著名的摩尔定律也验证了这一定律,由于晶体管密度的增加,单位成本持续下降。

集成电路需要用很少的成本大量生产才能取得成功,石墨烯现在遇到的也是一样的情况。

通过寻找一种适用于半导体集成的石墨烯有效量产方法,将有可能实现驱动芯片产业的规模经济。

石墨烯行业发展现状

最薄石墨烯如何撬动千亿版图

2017年以来,得益于政府政策的支持和产业资金的持续投入,我国对石墨烯材料的研究不断取得突破性进展,石墨烯研发水平逐步提高,已进入研发技术突破阶段。

其中,石墨烯中高端产品一直呈现增长态势,石墨烯超级电容、石墨烯电子器件以及石墨烯柔性膜等产品相继问世。

相关数据显示,我国石墨烯相关行业新增企业数量由2014年的362家增至2018年的1,143 家,年复合增长率33.3%。

技术研究方面,石墨烯行业发展至成熟商用期仍需时间,但石墨烯行业已整体处于以研究为主阶段,大部分产品并未实现大规模的市场应用。

产业链方面,石墨烯行业下游应用和应用产品的技术规范和市场准入制度并未设立,下游市场尚未进入成熟阶段

我国石墨烯行业正处于市场导入期,产品尚未成熟,行业利润率较低,但市场增长率较高。

石墨烯材料本身表现出优异的性能,其下游应用领域非常广泛,石墨烯上游为石墨、下游主要应用领域为新能源电池、涂料、柔性屏和传感器等领域。

欧美企业则占据全球石墨烯产业链关键环节。

石墨烯产业链上游原料是石墨,我国是全球最大的石墨生产国,石墨资源储量与产量均占世界主要地位,在原料方面遥遥领先。

但目前石墨行业全球范围内产量减少,原材料供应相应减少,这需要对石墨烯中游制备提出更高的要求。

石墨烯产业链中游主要为石墨烯制备。不同制备方法获得的石墨烯在品质和成本上差异较大,与之相关的产品的适用领域也有一些差异,大规模量产难度较大。

其中化学气相沉积法能够制备大尺寸的石墨烯薄膜,是目前被最有希望实现石墨烯薄膜大规模制备的方法。

石墨烯下游应用主要分为两个方面:第一是石墨烯粉体下游应用,第二是石墨烯薄膜下游应用。

其中石墨烯粉体可应用在新能源电池、复合材料、锂电池等方面,石墨烯薄膜可应用在柔性显示屏和传感器等方面。 我国石墨烯目前应用最广泛的下游领域是新能源相关领域。

石墨烯产业最大的瓶颈在于还没有形成完整产业链,目前仍没有一种石墨烯产品能够规模化生产的方法,对石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研机构的研究使用。

石墨烯在国内市场上从研发到应用的时间需要5-10年,达到成熟的产业规模时间则会更长。

研究表明,1毫米厚的石墨烯包含大约300万层结构,其直径是头发的100万分之一,比“蝉翼”还更轻薄,甚至是接近于透明。

石墨烯的柔韧性、强度以及弹性非常好,出色的柔韧性使得它能更好地变换形状,可以添加到绝大多数工业品中,形成石墨烯复合材料。

同时,石墨烯几乎是目前人类已知材料中导热性最高的材料,因此它可以更好地进行散热。此外,石墨烯的强度是钢铁的200倍。

使用石墨烯能够提高处理器运行的频率,而且能够延长用于数据存储固态硬盘的寿命。解决射频(RF)频谱高端的无线设备能够生产,价格方面亦相对低廉。

同时,石墨烯传导产生热量的能力令人难以置信,这有助于减少热管理机能所需要占用的空间。

其优越的辐射耐受性将使其对于空间的应用中成为无价之宝,而其光学和导电特性的结合将在光学发展中扮演“关键先生”,具有更快的调制和更高的灵敏度。

石墨烯商业化难题

目前,广域石墨烯单层膜的商业生产依赖金属催化剂上的化学沉积方法

如果要将石墨烯应用于有用的半导体基底,则需要进行转移过程。需要腐蚀掉铜薄膜,将石墨烯层转移到半导体晶片上,石墨烯单层最初生长在催化剂上的铜最终会消失。此外,结构不一致也会限制性能参数。

除质量问题,转移过程本身就是劳力为主的过程。这使得将该过程集成到现有大规模制备变得困难,因此成本会一再增加。

 

石墨烯商用新方向

研究人员已经研发出一种化学沉积方法替代方案支持大范围石墨烯合成同时能够确保产品纯度。

其专利的金属有机化学气相沉积技术意味着石墨烯能够直接生长在半导体衬底上,无需进行转移,从而避免相关的所有问题。

该技术能够提供持续可重复的结果,并使石墨烯符合标准工艺生产当今半导体生产的最大规模。这种技术生产的石墨烯具有高度的结构完整性,同时避免了与其他方法相关的污染问题。

石墨烯沉积是该材料在半导体应用中广泛应用的起点。从这里开始,在石墨烯上下的介质生长、光刻和接触都在器件设计和性能中发挥作用。

采用新的石墨烯生长方法为利用其特性开发设备制造的互补技术打开了行业大门。

 

石墨烯的未来

目前石墨烯市场上的生产能力只能生产少量的高质量石墨烯,在供应链全面发展和规模经济效益实现之前,石墨烯产品在短期内的价格仍将比其替代品更昂贵。但石墨烯产品在性能方面已有了飞速进步。

基于石墨烯的变革型电子器件的领导者Paragraf,已宣布推出一款新型石墨烯霍尔效应传感器。这款产品现在正得到越来越广泛的应用,其经过优化后将适合在相对低场环境和正常环境温度下使用。

石墨烯增强射频元件和光调制器预计也将很快出现。随着石墨烯半导体行业的逐渐成熟,未来几年石墨烯半导体产品的发展势头将继续增强。

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