一次待兑现的技术革命 全球石墨烯旗舰项目前瞻
2013年11月27日
作者：段歆涔
来源：中国科学报
一次待兑现的技术革命 全球石墨烯旗舰项目前瞻
石墨烯令人眼花缭乱的优点让人期待一场技术革命，但科学家在花费10亿欧元的同时，必须要打通一些瓶颈。
石墨烯使得制造灵活、透明的智能手机屏幕成为可能。
图片来源：BYUNG HEE HONG
欧盟委员会于今年1月批准了石墨烯旗舰项目。此前，石墨烯研究已经是世界上规模最大的材料科研项目，总计有数百名来自欧洲17个国家的科学家参与。在旗舰项目于11月25日提交进一步的项目提案后，石墨烯研究必将进一步扩大。
石墨烯是人类制造出的最薄物质：一薄片碳原子以六边蜂窝型呈现，坚硬如金刚石，其强度是铁的数百倍。但与此同时却具有极高的柔韧度，甚至具备可伸缩性。以石墨烯为媒介在室内环境下传输电流，其速度超过任何已知的材料。此外，它还能将任意波长的光转换成稳定的光流。自从石墨烯于10年前第一次被分离出来后，研究者针对它潜在的用途提出了多种设想——从更快的电脑芯片到更灵活的触摸屏，再到高效率的太阳能电池和海水淡化膜。
但是，要想充分掌握石墨烯的属性并将其应用于实际用途中，研究者还面临着巨大挑战。大型号石墨烯的制造工艺非常复杂且十分昂贵，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。即便质量过关，目前既没有先进的工业手段将石墨烯制造得如此之薄，也没有技术将它与其他物质结合从而生产出有用的产品。除此之外，它还有一个最大的弱点：虽然石墨烯中的电子流动性极强，但它的其他属性决定了石墨烯根本不适合开关切换活动，而这是数字电子技术的核心要求。
因此，业界提出针对石墨烯开展技术革新。该观点于2011年首次提出，旨在促成一项由多国共同推动的“石墨烯旗舰技术”项目。该项目时长10年，总投入为10亿欧元（约合13.5亿美元），欧洲各国共同努力将石墨烯从实验室引领到工业领域。除此外，为了弥补石墨烯的缺陷，旗舰项目还将研究超过12种原子超薄材料，与石墨烯搭配使用。
英国剑桥大学石墨烯中心负责人兼旗舰项目执行委员会主席Andrea Ferrari说：“新注入的资金和能量刺激了整个石墨烯研究界。之前从未有过如此大规模的研究活动。”
人多误事？
但有一些人质疑该项目是不是过于庞大，这种跨学术界和产业的合作不可避免地受到官僚主义的束缚，它是否是推动技术革新的最有效方法？
纽约州约克敦海茨市美国国际商用机器（IBM）公司托马斯·沃森研究中心的石墨烯及纳米技术专家Phaedon Avouris说：“这种方法并不能真正推动产品革新。”此外，一些参与项目的研究者担忧：在未来几年中，政治力量会压过本应处于最优先位置的科研活动，控制本就分散的资金来源。
不过，由于对旗舰项目的未来充满信心，各国政府与包括诺基亚和空客公司在内的行业合作伙伴将共同提供项目所需的一半资金，而欧盟委员会将提供另一半资金。旗舰项目负责人Jari Kinaret说：“我希望10年后，基于石墨烯或者其他薄层材料的科学技术将成为主流。正如当下我们广泛地将聚合物、半导体技术以及制陶术应用于生活中一样，石墨烯总有一天也会如此。”
旗舰项目被细分为16项研究内容，其中大部分项目着眼于提升石墨烯在实际生活中的应用，例如高频电子、传感器以及能量储存。在项目启动阶段投入5400万欧元后，该项目进一步的研究提案总价值达900万欧元，预计于2016年年底前开发出第一批技术原型。
产业行动
旗舰项目的进展离不开其他行业伙伴的合作，例如西班牙圣塞巴斯蒂安市石墨烯公司，该公司目前石墨烯产量为每年15平方米。此外，旗舰项目的顺利开展还得益于9月与青石全球科技公司签订的一份协议，该公司位于纽约州瓦屏九瀑布市，此前并无生产石墨烯的经验。该公司将在英国曼彻斯特市开办工作室并提前为石墨烯的顺利生产建造配套设施，这是英国在石墨烯生产领域的重大举措。今年，该公司利用氢的泡沫成功在没有造成腐蚀的情况下将大型单片石墨烯从铜薄片中分离出来，提高了石墨烯的产量，降低了生产成本。
但是，诺基亚公司传感器和材料研究负责人兼旗舰项目咨询委员会成员Tapani Ryhanen说：“尽管青石公司作出了努力，石墨烯的生产过程仍然非常复杂，将石墨烯添加到基片上难度很大。”旗舰项目的目的是精炼化学气相沉积（CVD）过程，并对备选生产方法进行改良。
此外，问题还在于如何把新鲜出炉的石墨烯从催化箔转移到新的基片上。例如，当把石墨烯安置在硅片上时，硅片会起褶皱。一个解决方法是直接在基片上制造石墨烯，或者将其安置在其他更坚固、防护能力更强的单层上，诸如氮化硼。该方法于今年早些时候已经开始了小规模尝试。
奥斯丁市得克萨斯大学的Rod Ruoff曾主持改进CVD制造方法的工作。他认为，减少石墨烯的生产成本并使其成为主流材料的最佳方法在于如何工业化大规模生产高质量的单层。旗舰项目将研究化学处理方法、超声波振动等其他技术手段，但是要找到一项实用的生产方法仍然有很长的一段路要走。Ruoff说：“我们需要一次彻底的突破。”
尽管在制造方面面临诸多挑战，但有人指出石墨烯已经对市场造成了冲击。例如，将多片单层合在一起的多层石墨烯可用于强化网球拍。此外，多层石墨烯可形成传导性回路，马里兰州杰瑟普市沃尔贝克材料公司将其应用于反盗窃包装中。
致命缺陷
然而，在数字电子技术领域，石墨烯最突出的优点却成为其最致命的缺点。原则上，石墨烯内部具有极高流动性的电子使其能够以极高的速率处理数据，一些石墨烯器件的数据处理速度已达到400千兆赫，是硅器件的数倍。但由于石墨烯的电子间缺乏带隙，一旦开始传输数据则很难再把它关掉，这严重妨碍了逻辑运算的进行，因为逻辑运算的所有问题都是开与关的问题。如果将其他材料掺杂进石墨烯或将石墨烯切割成窄条便可形成狭小的带隙，但这会降低电子的流动速度。因此，研究者正尝试调和石墨烯的电气性能，例如将石墨烯与其他单层材料诸如氮化硼相结合，或者以二硫化钼和钨联硒化物为材料制造晶体管。
但是，伦敦市Cientifica科技公司的Tim Harper认为，石墨烯要想代替硅电子的地位，还有很长的路要走。Harper说：“除非真有强有力的理由，否则没有人会放弃硅。”近期，石墨烯晶体管最大的卖点可能在于它能在多种电压下运转的特点，而不是其开通或者关闭的能力。石墨烯的应用范围包括，用于探测环境污染或者血氧水平的传感器，以及手机内部的信号发送器和接收器。
美国眼力健公司的Daniel Neumaier主持旗舰项目的子项目之一高频电子的研究，他的目标是在项目启动30个月之后，设计出用于证明石墨烯潜力的技术原型。Neumaier说：“我们目前对此抱有极高的期望。”
此外，正如一些研究者所担心的那样，作为欧洲最高级别的科研项目，石墨烯旗舰项目需要谨慎地航行，以免在危机四伏的政治水域中触礁。（段歆涔）
《中国科学报》 (2013-11-27 第3版 国际)