揭秘石墨烯“黑”技术

访北京石墨烯研究院院长刘忠范院士

　　10月25日揭牌成立的北京石墨烯研究院是由北京市科委推动成立的全国科技创新中心首批新型研发机构，未来将专注于石墨烯产业的核心技术研发与相关服务。北京石墨烯研究院会给我们带来哪些石墨烯新技术、新产品，又是如何探索杀手锏级的应用，尤其是规模化的制备技术呢？北京石墨烯研究院院长刘忠范院士向记者讲述了我们不知道的石墨烯“黑”技术。

　　石墨烯薄膜：

　　制备水平国际最高

　　北京石墨烯研究院发明了卷对卷连续动态石墨烯薄膜生长方法，成功研制出规模化化学气相沉积（CVD）生长装备。据介绍，目前研究院薄膜制备技术可年产石墨烯薄膜2万平方米。此外，研究院在国际上还率先研制出4英寸单晶石墨烯晶圆批量制备装备。研究团队利用超洁净石墨烯制备技术，可使石墨烯薄膜表面洁净度达90%以上，也由此赋予了其高导电性、低接触电阻和高透明度等特征，代表了当前石墨烯薄膜制备的最高水平。

　　石墨烯玻璃：

　　升级改造传统产业

　　所谓超级石墨烯玻璃，是通过在传统玻璃上直接生长石墨烯薄膜，赋予普通玻璃所不具备的导电、导热、自清洁以及生物相容等特性。刘忠范团队创新的一系列CVD生长方法，实现了石墨烯在任意玻璃上直接生长，并成功研制出超级石墨烯玻璃规模化制备装备，单台设备年产能达5000平方米。

　　这种新型石墨烯玻璃催生出一系列全新的应用，包括智能窗、触控屏、智能投影墙、玻璃电热片、防雾镜、高效细胞培养皿和光学传感器等，为传统玻璃产业升级换代开辟新路径。

　　烯碳光纤：

　　光电防腐特性出众

　　基于CVD生长技术，研发团队实现了石墨烯在石英光纤表面的层数可控生长，研发出的光纤具有优良的防腐性能，机械强度也有显著提升，并拥有特殊的光电特性。

　　据介绍，采用烯碳光纤制作的新型电光调制器，开关电压仅需3伏，远低于商用的无机晶体电光调制器。此外，这种光纤还可用于制造光纤探测器、光纤传感器、锁模超快激光器等，有望成为光纤领域的变革性新技术。

　　特别值得一提的是，烯碳防腐光纤未来在油井方面将大有用途。一般油井传感主要靠不锈钢软管密封结构实现光缆的耐腐蚀性能，但由于光缆受力较大、油井腐蚀性强和温度高，传统光缆不能满足当前需求，而石墨烯的隔离能力可极大提高油井传感光缆的耐用性。

　　石墨烯器件：

　　半导体照明核心技术

　　研究院首创的石墨烯缓冲层技术，大幅改善了氮化镓等薄膜材料的外延生长质量，使LED光输出功率提升达35%，并且开启电压也显著降低，在大注入电流下发光波长稳定。

　　鉴于石墨烯的优异导热性能，其引入有望提高LED器件的散热性能和使用寿命，成为新一代半导体照明核心技术。

　　石墨烯玻纤：

　　军民融合应用范例

　　与传统玻璃纤维相比，石墨烯玻璃纤维的力学和热学性能有显著提升，这有助于改善导弹和各种飞行器的飞行特性，从而提高制导精度。

　　而在民用交通领域，这种新型玻璃纤维也有着广阔应用前景，其独特的力学、热学及电学性能将提高民用交通工具的智能化及低能耗化。石墨烯玻纤由此成为石墨烯在军民融合领域应用的范例。

　　石墨烯轮胎：

　　取代炭黑延长寿命

　　石墨烯轮胎具有高耐磨性，添加很少量的石墨烯粉体，就可取代普通轮胎生产过程中使用的炭黑，并延长轮胎的使用寿命。此外，石墨烯导电轮胎能够在不同环境接地条件下，连续可靠导出车体静电；提高轮胎抗湿滑性能到A级，一定程度降低滚动阻力，有效减少油耗、降低二氧化碳等气体排放。

　　据刘忠范介绍，北京石墨烯研究院10年规划投资20亿元，目前已组建上百人的研发管理团队，建立5个研发部门，实现公共仪器平台首批设备到位。未来，他们将致力于打造石墨烯产业的基石和核心竞争力，相信不久的将来，会有更多的石墨烯“黑”科技浮出水面。