石墨烯因其優(yōu)異的電學、光學和機械性能被媒體稱作奇跡材料，近年來吸引了眾多科學家和大量科研資金的投入。石墨烯的發(fā)現(xiàn)更是獲頒2010年度諾貝爾物理學獎。不過最近，IBM研究人員卻宣稱石墨烯的應(yīng)用前景可能被夸大了，因為石墨烯本身的性質(zhì)導致石墨烯研究存在一些障礙。

“不太可能替代硅”

石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成其他碳同素異形體的基本單元。關(guān)于石墨烯的理論研究已有數(shù)十年，但之前沒有人認為石墨烯可以穩(wěn)定存在。2004年，英國曼徹斯特大學物理教授Geim、Novoselov博士，利用從超市買來的普通膠帶反復剝離高定向熱解石墨，從而得到了穩(wěn)定存在的石墨烯。該發(fā)現(xiàn)立即引起了物理學家、化學家和材料學家的廣泛關(guān)注，并隨之掀起了碳材料的又一次研究熱潮。2010年，Geim、Novoselov更因石墨烯的發(fā)現(xiàn)被授予年度諾貝爾物理學獎，石墨烯的應(yīng)用前景更被看好。

作為晶體管制造材料是石墨烯應(yīng)用前景中最關(guān)鍵的內(nèi)容，現(xiàn)在常用于制備晶體管的材料是硅，但是用硅制備的晶體管柵極小于5nm時，晶體管將失效，而石墨烯并不存在這樣的問題。不過，最近IBM的科學家Yu-MingLin表示石墨烯不太可能替代硅。

2010年初，IBM在Science雜志上發(fā)表論文宣布，他們已經(jīng)用石墨烯晶體管制造出了頻率高達100GHz的電路。但Yu-MingLin2011年開始對媒體表示，他們用石墨烯制成的晶體管和CPU中使用的晶體管有著明顯的區(qū)別。石墨烯晶體管不存在能隙，因此無法被“完全關(guān)閉”，這意味著更多能量會泄露，引發(fā)過熱。所以，用石墨烯完全取代硅的前景并不那么樂觀，不過Lin表示，石墨烯可以和硅互為補充，以混合電路的形式擴充計算機芯片的功能。

對此，清華大學材料科學與工程系康飛宇教授認為，目前關(guān)于石墨烯的能隙問題存有爭議，有關(guān)利用摻雜技術(shù)改變其能隙的研究還在進行當中。

前景無限，晶體管研究受關(guān)注

石墨烯被發(fā)現(xiàn)之前，物理學界認為，熱力學漲落不允許二維晶體在有限溫度下存在。但石墨烯的發(fā)現(xiàn)對當時的物理認知產(chǎn)生了巨大沖擊，同時立即被描繪出美好應(yīng)用前景。石墨烯有著非常優(yōu)異的性能，它具有超大的比表面積，同時機械性能好；此外，石墨烯的熱導率是銅的10倍；它透光性好，對光的吸收率只有2.3%；在電和磁性能方面具有很多奇特的性質(zhì)，如室溫量子霍爾效應(yīng)、雙極性電場效應(yīng)、鐵磁性、超導性及高的電子遷移率。這些優(yōu)異的特質(zhì)使得石墨烯在晶體管、太陽能電池、超級電容器、場發(fā)射和催化劑載體等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

除了上述的替代硅作為晶體管材料之外，石墨烯還可以用于太陽能電池。太陽能電池中的重要部件是窗口電極，目前常用的窗口電極材料是銦錫氧化物半導體透明薄膜（ITO），但銦在地球上含量有限，同時ITO在近紅外區(qū)的透光性比較差，并且酸性條件下不穩(wěn)定，不利于柔性器件的制備，而石墨烯被認為是替代ITO的合適材料。

此外，因為石墨烯吸附氣體分子時，其電導率會發(fā)生變化，所以石墨烯可以作為氣體傳感器，并且優(yōu)勢明顯。另外，隨著便攜式電子設(shè)備需求量的增長，超級電容器的性能面臨挑戰(zhàn)，尋找合適的電極材料是提高超級電容器性能的重要途徑，石墨烯優(yōu)異的性能被認為是超級電容器電極的理想材料。

石墨烯的用途還不止于此。Geim博士曾經(jīng)用塑料來類比過石墨烯，他認為石墨烯可以開發(fā)出種類繁多的材料，就好像塑料一樣，未來可以應(yīng)用到生活中的各個角落。科研人員也發(fā)現(xiàn)石墨烯可用做繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤；還可用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣；科學家們甚至還將制造2.3萬英里長的太空電梯的夢想寄托在石墨烯上。

“盡管石墨烯在眾多領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但作為硅的替代品材料來制作晶體管器件是讓科學家們頗為期待的重要一項，也是最受關(guān)注的領(lǐng)域之一。”中國科學院物理研究所郭海明副研究員告訴《科技導報》。

晶體管領(lǐng)域研究面臨困難

雖然媒體和部分科學家近幾年來一直為石墨烯的發(fā)現(xiàn)興奮不已，但是不少研究人員仍抱持謹慎態(tài)度，認為石墨烯的應(yīng)用前景可能被估計得稍嫌樂觀，因為石墨烯在晶體管領(lǐng)域的確面臨困難。

康飛宇研究員告訴《科技導報》，他認為石墨烯距離應(yīng)用還比較遠。因為石墨烯只有一個碳原子層，想要制備出工業(yè)應(yīng)用上需要的、沒有缺陷的一張石墨烯膜是非常有難度的工作，另外，石墨烯如何跟其他材料進行復合使用還需要很多的研究探索。

清華大學材料科學與工程系崔同湘博士告訴記者，石墨烯是單晶材料，但是在應(yīng)用中往往就疊加成為了多晶材料，而多晶材料中間因為有晶界存在，所以并不利于電子傳輸，這一點成為了石墨烯的不足之處。

郭海明副研究員告訴《科技導報》，石墨烯在晶體管或納米電子器件中的應(yīng)用前景，現(xiàn)在面臨很多困難和挑戰(zhàn)不足為奇，除了能隙的問題，還有工藝問題，比如大面積高質(zhì)量石墨烯的制備、邊界的剪裁控制、器件組裝等，但和任何一個新事物一樣，應(yīng)該給石墨烯以時間和信心，問題總會隨著時間而解決的，至少能夠帶給我們一些新的辦法和思路。郭海明還表示，即使不考慮未來應(yīng)用，石墨烯作為一種理想的二維單層原子晶體材料，本身所蘊含的一系列令人驚喜的特異電子和物理特性，也足以值得我們花大力氣大投入進行研究。