正如諾獎(jiǎng)獲得者安德烈·蓋姆所說(shuō)：“石墨烯正從學(xué)術(shù)界走向工業(yè)界”。石墨烯已經(jīng)迎來(lái)了科技創(chuàng)新與技術(shù)改革的第一道曙光，也正向我們的未來(lái)和發(fā)展照耀出更耀眼的光芒。

由于石墨烯本身具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和出色性能，被稱為“新材料之王”的石墨烯材料一躍成為新型材料中的榜首，是目前已知導(dǎo)熱率最高的材料。在這種優(yōu)越的性能光環(huán)加持下，石墨烯已經(jīng)開(kāi)始向各高精尖技術(shù)和領(lǐng)域飛奔而去，深刻融入到人們的科研手段與探索技術(shù)當(dāng)中，可為何說(shuō)石墨烯正從學(xué)術(shù)界走向工業(yè)界？

首先，這是市場(chǎng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件決定的首要因素——價(jià)格。在最各頂尖技術(shù)團(tuán)隊(duì)數(shù)年如一日的探索下，石墨烯的價(jià)格隨著技術(shù)的發(fā)展和科研攻關(guān)的突破，已成功將石墨烯價(jià)格降至每公斤五百元。并且，這一價(jià)格趨勢(shì)在未來(lái)三年內(nèi)還有望繼續(xù)降低。無(wú)疑，這是給石墨烯生產(chǎn)鏈上下游及附屬產(chǎn)業(yè)一道擲地有聲的響雷，它不僅改變這數(shù)個(gè)領(lǐng)域、數(shù)個(gè)行業(yè)的命運(yùn)，更深深撥動(dòng)這些市場(chǎng)主導(dǎo)者的心弦，使人們重新認(rèn)識(shí)到：石墨烯時(shí)代的到來(lái)已經(jīng)銳不可當(dāng)！

在這些領(lǐng)域及企業(yè)當(dāng)中，關(guān)注度最高的當(dāng)屬鋰電池行業(yè)及新能源汽車制造業(yè)。毋庸置疑，相比傳統(tǒng)的電池，鋰電池給人們刷新了太多太多的認(rèn)知，這些認(rèn)知不僅是倍率性能的改變，不僅是循環(huán)壽命的改變，更在于它那隨著深入研發(fā)而發(fā)掘出無(wú)限的市場(chǎng)潛能和材料性能。在電子產(chǎn)品、科技產(chǎn)品飛入尋常百姓家的今天，手機(jī)、便攜式電腦、便攜式音響之所以能夠賣(mài)出大門(mén)、邁向戶外，無(wú)一不是因?yàn)閾碛幸允┑蠕囯姵叵冗M(jìn)續(xù)航能力、儲(chǔ)電能力等先進(jìn)技術(shù)、熱門(mén)技術(shù)為支撐的。如果說(shuō)石墨烯技術(shù)在電池上的廣泛應(yīng)用是打開(kāi)石墨烯市場(chǎng)大門(mén)的鑰匙，那么石墨烯電池在新能源汽車上的深入融合，也是徹底敞開(kāi)石墨烯市場(chǎng)的兩扇光明大門(mén)。

在人們綠色、生態(tài)出行理念及碳達(dá)峰、碳中和雙碳政策的影響下，人們出行的交通工具不再僅僅依賴于傳統(tǒng)的汽油車，轉(zhuǎn)而，新能源汽車在人們的視野的距離被拉得越來(lái)越近。據(jù)Canalys的最新研究表明，2020年中國(guó)市場(chǎng)電動(dòng)車（EV）銷量再創(chuàng)新高，共計(jì)130萬(wàn)輛，占全球新能源車銷量的41%，同比增長(zhǎng)了8%。2020年全球新能源車銷售增量高達(dá)39%。這個(gè)數(shù)據(jù)，給我們最強(qiáng)烈最直接的信號(hào)，是新能源汽車在得以覆蓋性運(yùn)用和推廣后，作為新能源汽車的核心動(dòng)力來(lái)源，石墨烯電池在新能源市場(chǎng)上的應(yīng)用成了每個(gè)生產(chǎn)商、每個(gè)新用戶的關(guān)注焦點(diǎn)，也是人們奉行環(huán)保健康、綠色出行理念的重心所在。

石墨烯的應(yīng)用和推廣，無(wú)論是在科技領(lǐng)域，還是剛需用品，都成了未來(lái)發(fā)展的大勢(shì)所趨。隨著石墨烯神秘面紗的揭開(kāi)，這種趨勢(shì)將越來(lái)越明顯，這種影響也越來(lái)越深遠(yuǎn)！

步入二十一世紀(jì)的今天，就是高科技的今天，就是新技術(shù)的今天。然而，什么是高科技？什么是新技術(shù)，這無(wú)疑給人冒出一個(gè)大寫(xiě)的問(wèn)號(hào)。毫無(wú)疑問(wèn)，高科技、新技術(shù)都是建立在以新材料的應(yīng)用基礎(chǔ)上的，尤以石墨烯的使用更加廣泛、更加深入，上可至航天科技的應(yīng)用，下可達(dá)日常工作器材的支撐，可以說(shuō)是新時(shí)代信息技術(shù)和科技命脈的“熱”門(mén)支柱。那么石墨烯材料作為新材料的新寵，作為新領(lǐng)域的王者，它究竟與其他材料有何不同之處？與傳統(tǒng)的石墨材料相比，石墨烯材料又有何過(guò)人之處？

石墨烯材料，顧名思義，就是通過(guò)石墨烯或者以石墨烯成分制作或者研發(fā)而成的新型材料，這個(gè)有“新材料之王”稱號(hào)的石墨烯，由于其優(yōu)異的性能，廣泛的可用性，造就了相關(guān)產(chǎn)業(yè)廣闊的市場(chǎng)前景，其應(yīng)用范圍覆蓋芯片、散熱材料、新能源以及柔性顯示、復(fù)合材料等多個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也是對(duì)傳統(tǒng)電池電容材料更朝換代的熱門(mén)選手。

而石墨與石墨烯究竟又有何不同？首先，其制作工藝和生產(chǎn)流程便大相徑庭。石墨烯并不是直接生產(chǎn)或者制作而成的，而是要通過(guò)各種嚴(yán)苛的工藝、復(fù)雜的程序、特定的條件下制作出氧化石墨烯，進(jìn)而再轉(zhuǎn)換成石墨烯。難度在于，必須在強(qiáng)酸以及強(qiáng)氧化劑的標(biāo)準(zhǔn)條件下，把石墨通過(guò)氧化反應(yīng)生成氧化石墨，在經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)后，石墨的表層便附上一層帶有含氧的官能團(tuán)，正是在含氧官能團(tuán)的作用下使得石墨片層間的范德華力出現(xiàn)驟減，繼而撐開(kāi)石墨片層，增加了層間距；然后，將氧化石墨分散于水或有機(jī)溶劑中，再通過(guò)超聲處理就可以將氧化石墨剝離成單層或少數(shù)幾層的氧化石墨烯。從上述石墨烯的制造生產(chǎn)的流程中就可以看出，石墨烯是當(dāng)今一種性能優(yōu)異的新型材料，由于其本身具有很好的熱學(xué)性能，這也賦予了石墨烯材料導(dǎo)熱散熱的特殊性能，這也讓石墨烯材料一躍成為新型材料中的榜首，也是目前已知導(dǎo)熱率最高的材料。

在目前的科技領(lǐng)域和應(yīng)用范圍當(dāng)中，高導(dǎo)熱散熱材料仍然以石墨薄膜來(lái)進(jìn)行完成，在傳統(tǒng)的角度上就賦予了石墨類導(dǎo)熱散熱材料的作用和使命。但是石墨烯材料作為石墨材料的加強(qiáng)版和升級(jí)版，石墨烯材料擁有的超高性能和超強(qiáng)應(yīng)用已毋庸置疑。然而，在從產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的角度分析，石墨烯薄膜如要拿下傳統(tǒng)石墨薄膜的主導(dǎo)地位，重新占據(jù)導(dǎo)熱散熱材料市場(chǎng)的主體地位，除了擁有極高的導(dǎo)熱散熱性能外，在量化制造、規(guī)模生產(chǎn)上再深入推進(jìn)，使石墨烯薄膜在生產(chǎn)成本上擁有更大的優(yōu)勢(shì)。在性能和價(jià)格這兩個(gè)市場(chǎng)光環(huán)的加持下，相信不久的將來(lái)，石墨烯薄膜將成為散熱應(yīng)用市場(chǎng)上主導(dǎo)散熱材料的閃耀新星！

石墨烯、碳納米管等石墨納米材料具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，即大的比表面積、優(yōu)異的熒光猝滅性能、易于功能化、良好的生物相容性以及大的拉曼散射界面，這些優(yōu)勢(shì)引起了不少學(xué)者對(duì)其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究。

其中，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的是金屬石墨納米囊，這是一種將金屬納米核限域在少層石墨烯殼層內(nèi)部的新型石墨烯納米材料，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和良好的生物相容性。金屬石墨烯納米囊兼具石墨納米材料和金屬納米材料的雙重優(yōu)點(diǎn)，利用其外殼，并通過(guò)可控設(shè)計(jì)和制備多種不同種類，可為不同生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供良好的納米平臺(tái)；同時(shí)，利用其外殼獨(dú)特的拉曼散射特征峰做內(nèi)標(biāo)，能避免來(lái)自環(huán)境和生物分子的干擾及直接接觸。

正是由于新型金屬石墨納米囊材料兼具石墨烯和金屬納米顆粒的雙重性質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的潛力。比如在生物檢測(cè)應(yīng)用方面，研究證明它能提供一個(gè)抗干擾性強(qiáng)且靈敏度高的分析平臺(tái)，對(duì)臨床藥物檢測(cè)中有巨大的應(yīng)用前景；在生物成像應(yīng)用方面，因其比傳統(tǒng)的有機(jī)拉曼標(biāo)簽具有更大的拉曼散射界面和更優(yōu)越的穩(wěn)定性，可以有效避免環(huán)境干擾，實(shí)現(xiàn)生物體系拉曼成像以及細(xì)胞靶向成像，促進(jìn)具有受體靶向的納米載體開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)有效的藥物輸送和癌癥治療。

在治療應(yīng)用方面，金屬石墨納米囊作為光熱試劑和藥物載體在癌癥、化療或其聯(lián)合治療及殺菌方面發(fā)揮極大作用，作為光熱材料可殺死癌細(xì)胞，提高治療效率，減少化療藥物的副作用，為臨床癌癥治療指明新方向。研究證明，其實(shí)現(xiàn)了實(shí)體瘤的高效光熱消融，作為藥物遞送平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了抗炎癥前藥的有效遞送，消除了治療過(guò)程引發(fā)的驗(yàn)證反應(yīng)，并且還在抗菌治療中有廣闊應(yīng)用前景。金屬石墨納米囊作為藥物遞送平臺(tái)，具有獨(dú)特磁學(xué)性能，還對(duì)胃部疾病的治療具有新的功能應(yīng)用，即為口服藥物的遞送和胃部疾病的位點(diǎn)選擇性治療提供了新的思路。

目前，金屬石墨納米囊種類比較有限，主要應(yīng)用于體外生物分子檢測(cè)、細(xì)胞成像以及癌細(xì)胞和病原菌的殺滅，活體層面的原位疾病診斷、藥物遞送和治療等領(lǐng)域。因此，未來(lái)我們應(yīng)該把精力主要集中在開(kāi)發(fā)更多新型種類，提高其生物相容性，并深入探究其對(duì)生物體造成的影響，以推動(dòng)金屬石墨納米囊的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用不斷向前發(fā)展。

自兩位石墨烯發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)以來(lái)，全球就掀起石墨烯制備、改性和應(yīng)用的研究熱潮，很多國(guó)家也從戰(zhàn)略層面對(duì)石墨烯進(jìn)行部署及系統(tǒng)布局，搶占產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。目前，全球已有80多個(gè)國(guó)家加大對(duì)石墨烯研發(fā)及生產(chǎn)的投入，美國(guó)、日本、歐盟、韓國(guó)等都相繼發(fā)布了一系列相關(guān)研究計(jì)劃和項(xiàng)目，總的來(lái)看，全球石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)綜合實(shí)力最強(qiáng)的前三甲是美國(guó)、日本和中國(guó)。

石墨烯作為“新材料之王”，下游應(yīng)用前景廣闊，覆蓋芯片、散熱材料、新能源電池、柔性顯示和復(fù)合材料等多領(lǐng)域，是對(duì)傳統(tǒng)電容、鋰電池材料進(jìn)行替代的熱門(mén)選手，新能源汽車的加速滲透也為其帶來(lái)增速，行業(yè)正等待著技術(shù)突破的爆發(fā)。中國(guó)的石墨烯產(chǎn)業(yè)究竟能否實(shí)現(xiàn)彎道超車？

新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)被列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。在碳材料的規(guī)模應(yīng)用中，石墨烯和碳納米材料都處于突破階段。歐洲偏向理論研究，美國(guó)及韓國(guó)原創(chuàng)應(yīng)用多，打下了堅(jiān)實(shí)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。而中國(guó)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模最大，產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)顯著，石墨烯等碳基材料產(chǎn)業(yè)整體呈蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。目前，產(chǎn)學(xué)研各界都在極力追求如何突破科技部提出的“顛覆性技術(shù)”。工信部也提案稱接下來(lái)會(huì)以重大關(guān)鍵技術(shù)突破和創(chuàng)新應(yīng)用需求作為主攻方向，在“十四五”規(guī)劃等政策的推動(dòng)下，在第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域或許能大展身手。

硅基芯片作為美國(guó)主導(dǎo)的技術(shù)，一直被嚴(yán)防死守，而國(guó)內(nèi)芯片對(duì)其較依賴，導(dǎo)致美國(guó)在全球芯片市場(chǎng)的絕對(duì)話語(yǔ)權(quán)。當(dāng)前，三星已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)5nm芯片的成熟量產(chǎn)，并在加大對(duì)3nm芯片的研發(fā)，可見(jiàn)以硅基為基礎(chǔ)材料制造的芯片已經(jīng)接近摩爾定律極限。所以各國(guó)都在尋找可替代的半導(dǎo)體材料，中國(guó)正尋找石墨烯、光量子芯片等其他可替代出路，也許能成為中國(guó)扭轉(zhuǎn)局面的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)臺(tái)積電的工藝制程已穩(wěn)定在5nm，3nm也慢慢實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但已接近極限。而石墨烯不僅提取材料方面、提存工藝較簡(jiǎn)單，并且在我國(guó)還擁有大儲(chǔ)量的原材料優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，石墨烯材料就是通過(guò)石墨烯制取的碳基芯片，想要突破2nm芯片的限制，離不開(kāi)石墨烯這個(gè)新型半導(dǎo)體材料。最近國(guó)產(chǎn)8英寸石墨烯晶圓已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，我國(guó)的石墨烯技術(shù)創(chuàng)新成果頻出，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢(shì)頭較猛。只要抓住碳基芯片這個(gè)機(jī)遇，就能改變被動(dòng)的局面，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

石墨烯產(chǎn)業(yè)逐漸進(jìn)入冷靜期，不少問(wèn)題也顯現(xiàn)出來(lái)。雖然資本界和學(xué)術(shù)界都熱情高漲，但上游材料生產(chǎn)企業(yè)盲目擴(kuò)產(chǎn)、下游應(yīng)用也顯現(xiàn)出低端化發(fā)展的苗頭。石墨烯雖然已走出實(shí)驗(yàn)室，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍要面臨關(guān)鍵技術(shù)和裝備的問(wèn)題。而只有盡快實(shí)現(xiàn)“關(guān)鍵性技術(shù)”的突破，才能完成彎道超車的愿望。

“20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，21世紀(jì)將是碳的世紀(jì)”?！疤紩r(shí)代”來(lái)臨，石墨烯作為一種由單層碳原子組成的呈六角形蜂巢晶格形狀的二維碳納米材料，被公認(rèn)為是21世紀(jì)的“未來(lái)材料”和“革命性材料”。中國(guó)有數(shù)量龐大的石墨烯基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)大軍，在數(shù)字上有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但在基礎(chǔ)研究上存在急功近利的問(wèn)題，產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模不大，核心技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展，石墨烯產(chǎn)業(yè)生態(tài)亟待實(shí)現(xiàn)從“量”到“質(zhì)”的轉(zhuǎn)變。

石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)較為完善，上游主要是以石墨為原材料的開(kāi)發(fā)制備，中游是生產(chǎn)出的各類石墨烯產(chǎn)品，下游則是石墨烯材料的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化。目前，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈上中下游各存在哪些優(yōu)勢(shì)及問(wèn)題？又該如何實(shí)現(xiàn)由“量”轉(zhuǎn)“質(zhì)”？

石墨烯應(yīng)用缺乏“殺手锏”

“新興產(chǎn)業(yè)”石墨烯產(chǎn)業(yè)在諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景和無(wú)限潛能，下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)正逐步鋪開(kāi)，但仍缺乏一個(gè)真正的“殺手锏”。目前上市的石墨烯產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域是復(fù)合材料和能源產(chǎn)業(yè)。目前下游應(yīng)用多以中小微型企業(yè)為主，暫缺乏龍頭企業(yè)，對(duì)國(guó)家建設(shè)制造業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略的參與度也不太高。在許多應(yīng)用領(lǐng)域，存在著宣傳“噱頭”多于實(shí)質(zhì)的問(wèn)題。要想建立一個(gè)“殺手锏”級(jí)別的應(yīng)用，除了國(guó)家的戰(zhàn)略布局，基礎(chǔ)研發(fā)的投入，更需要眾多企業(yè)力量的參與。因此，企業(yè)應(yīng)該踏踏實(shí)實(shí)，著眼未來(lái)，積極地加入到石墨烯技術(shù)創(chuàng)新鏈中，加大投入。形成產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向的創(chuàng)新體系。同時(shí)，上中下游要做到合理資源置換整合，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)融合，才能更快推動(dòng)“石墨烯+”，實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，真正發(fā)揮出石墨烯的附加值。

隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的騰飛，當(dāng)前社會(huì)的各種新生產(chǎn)業(yè)、新興領(lǐng)域也如雨后春筍般，迅速成了我們生活和工作中不可或缺的一部分，各種高科技、黑科技產(chǎn)品，早已“飛入尋常百姓家”，成了我們離不開(kāi)的生活成份，像各種高分子材料、納米材料，與我們的日常生活用品和工作用品已融為一體，它們身上的各種優(yōu)異性能、卓越性能便是象征它們價(jià)值的寵兒。尤其是石墨烯，想必大家對(duì)這個(gè)名詞并不陌生，它廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科技、醫(yī)療、制造等領(lǐng)域當(dāng)中，并發(fā)揮著巨大的作用，其地位和用途也舉足輕重想，更有學(xué)者把對(duì)石墨烯的開(kāi)發(fā)和使用當(dāng)作衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展能力的重要指標(biāo)。那么，石墨烯究竟有什么獨(dú)到之處，能夠使它得到如此多的光環(huán)與青睞？下面我們一起來(lái)看個(gè)究竟。

一、無(wú)“微”不至，為筑牢安全的第一道防線立下汗馬功勞

在當(dāng)前疫情肆虐之際，及時(shí)對(duì)病毒的檢測(cè)和鑒定是有效應(yīng)對(duì)疫情的重要手段之一。但由于檢測(cè)技術(shù)和條件的限制，人們對(duì)該新冠病毒的檢測(cè)工作一度陷入窘境，耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)力氣的檢測(cè)手段和方法是其中的始作俑者。然后，有專家發(fā)現(xiàn)，利用石墨烯的特質(zhì)和性能，在相關(guān)觀察檢測(cè)儀的幫助下，通過(guò)分析石墨烯上的變化狀況，人們能夠快速檢測(cè)出是否感染了新冠病毒等各種病毒，而整個(gè)檢測(cè)過(guò)程，僅需10分鐘，比傳統(tǒng)的檢測(cè)方法提高了將近十倍的效率，更重要的是有可能實(shí)現(xiàn)人們居家自測(cè)，這在分秒必爭(zhēng)的抗疫防疫期間無(wú)疑是給我們爭(zhēng)取了寶貴的戰(zhàn)疫時(shí)間，并給我們控制疫情、防范疫情贏得了快速反應(yīng)的先機(jī)。

二、一“網(wǎng)”無(wú)前，為保護(hù)人們的身心健康提供堅(jiān)固的屏障

通過(guò)對(duì)石墨烯的觀察和研究，專家們進(jìn)一步得到了令人振奮的結(jié)論，用石墨烯制造的石墨烯防霧光療護(hù)目鏡，比傳統(tǒng)普通的護(hù)目鏡擁有更加優(yōu)越的性能，無(wú)論是在防護(hù)、耐磨、耐酸、使用等方面，用石墨烯制成的護(hù)目鏡呈現(xiàn)出無(wú)與倫比的性能，為節(jié)約成本、提高使用壽命打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。在口罩常態(tài)化、普及化的今天，人們已經(jīng)不再滿足于對(duì)普通的醫(yī)學(xué)口罩的使用，而通過(guò)使用石墨烯制造生產(chǎn)出的KN95防護(hù)口罩，則得到越來(lái)越多人的青睞，它超強(qiáng)的防護(hù)功能，給在戰(zhàn)疫一線的工作人員提供了高效、可靠、安全的保障。但需要注意的是，不久前加拿大衛(wèi)生部發(fā)布了召回“石墨烯口罩”的公告，建議市民不要使用，稱其有可能吸入石墨烯顆粒從而對(duì)健康造成風(fēng)險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，因石墨烯納米材料的使用及處理而產(chǎn)生的生物安全性問(wèn)題亟待解決，石墨烯在醫(yī)療健康領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用仍有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

三、低碳環(huán)保，為人們帶來(lái)溫暖呵護(hù)

石墨烯的應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，其卓越的性能、優(yōu)異的材質(zhì)，貫穿在我們?nèi)粘５囊率匙⌒挟?dāng)中，在紡織品、導(dǎo)熱體等領(lǐng)域，為我們的工作和生產(chǎn)發(fā)揮著巨大的作用。隨著材料制備技術(shù)的提高，石墨烯纖維實(shí)現(xiàn)了紡絲的高效率，其高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高柔性及高透氣性等優(yōu)異性能可應(yīng)用于燃料電池的氣體擴(kuò)散以及各種高強(qiáng)度涂料、導(dǎo)熱涂料、防腐涂料、導(dǎo)電涂料等。石墨烯供暖產(chǎn)品也逐漸走入大眾視野，由于快速健康供暖、節(jié)能減排、人體健康理療等特點(diǎn)，石墨烯地暖、石墨烯墻暖、石墨烯壁暖、石墨烯地毯供暖等產(chǎn)品出現(xiàn)在市場(chǎng)，順應(yīng)了低碳環(huán)保的趨勢(shì)。同時(shí)，石墨烯纖維抗菌、抗病毒的性能也使其成為紡織材料業(yè)的新寵，石墨烯保健品、可穿戴石墨烯、石墨烯護(hù)腰、石墨烯內(nèi)衣襪子、石墨烯面膜等大健康產(chǎn)品應(yīng)勢(shì)而生。冬季導(dǎo)熱保暖，夏季散熱清涼，石墨烯作為一種健康環(huán)保的材料，在紡織業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)蛻變與革新，引領(lǐng)化纖行業(yè)華麗升級(jí)。

四、高效安全，為人們的出行保駕護(hù)航

由于可以依靠電力的驅(qū)動(dòng)，新能源車輛的出現(xiàn)為城市環(huán)保助力的同時(shí)，也為我們節(jié)約了大量的成本，但是車輛電池的使用壽命和續(xù)航能力，又成了困擾大家的新問(wèn)題。而問(wèn)世不久的石墨烯電池，無(wú)疑給大家下了一顆定心丸，8分鐘能充80%的電量，滿電狀態(tài)續(xù)航可達(dá)一千公里，這些數(shù)據(jù)都在向我們?cè)V說(shuō)著石墨烯電池高效、耐用、節(jié)能等超群的優(yōu)點(diǎn)。

五、“芯”之所向，為人們打開(kāi)走向新的微觀世界之門(mén)

在我們的傳統(tǒng)觀念的潛意識(shí)里,硅基一直電子設(shè)備的芯片的代名詞，然而，人們對(duì)硅基芯片的開(kāi)發(fā)和利用已接近極限，而在這種狀態(tài)下，硅基芯片的漏電等弊端日益見(jiàn)大。然而，英國(guó)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)可開(kāi)發(fā)為芯片的潛力股——石墨烯制芯片，在體積上它不僅比硅基芯片小，基于石墨烯強(qiáng)大的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，石墨烯制芯片將成為主宰未來(lái)電子設(shè)備芯片的主力軍之一。石墨烯與其他二維材料或硅基納米系統(tǒng)集成，也將有機(jī)會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)的6G通訊器件中。

六、飛向蒼穹，助力人們探索美麗的浩瀚星空

未來(lái)，石墨烯在軍事、航空領(lǐng)域也將大放異彩。石墨密封材料的高耐磨性、高可靠性、耐燒蝕性使其成為“長(zhǎng)征”“嫦娥”“天宮”等系列載人航空火箭的關(guān)鍵材料?；谑┑某`敏光探測(cè)器、航空裝置的機(jī)械保護(hù)材料及柔性電子顯示屏和電子元件等都是石墨烯可不斷擴(kuò)展的新用途。值得注意的是，歐美政府已經(jīng)開(kāi)始重視石墨烯的國(guó)防及軍事應(yīng)用潛力，因其輕薄、高硬度、高強(qiáng)度的特性在軍用防彈衣、石墨烯涂層軍用激光護(hù)目鏡等產(chǎn)品中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。且在所謂“簽名管理”領(lǐng)域中的便利優(yōu)勢(shì)使其在軍車、飛機(jī)、軍艦、潛艇等制備中極具吸引力。

有關(guān)石墨烯新的應(yīng)用場(chǎng)景不斷被開(kāi)發(fā)及挖掘，其發(fā)展前景顯現(xiàn)出無(wú)限的潛能。誰(shuí)先掌握了石墨烯的核心技術(shù)和先進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，誰(shuí)就能成為這個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)跑者。石墨烯從研究走向應(yīng)用，充滿想象力與可能性。

研究背景

由于其超高的電磁場(chǎng)局域特性，石墨烯等離子體激元(GPs)在納米光子學(xué)和光電子學(xué)中具有多種潛在的應(yīng)用，例如常溫下的紅外光電探測(cè)器、傳感器和調(diào)制器。特別是，相比于面內(nèi)等離子體激元，單層石墨烯邊緣的等離子體激元顯示出更好的電磁場(chǎng)局域特性。石墨烯具有兩種不同手性的邊緣，即鋸齒形或扶手椅形邊緣，這兩類邊緣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了各種有趣的局域電子態(tài)，這些電子態(tài)與超導(dǎo)性、局域磁性和拓?fù)鋺B(tài)等有關(guān)。

一些研究已經(jīng)確定，由于邊緣特定的電子帶結(jié)構(gòu)，與這兩種邊緣相關(guān)聯(lián)的等離子體激元行為是不同的。然而，之前研究只關(guān)注手性對(duì)邊緣處片內(nèi)等離子體模反射的影響。對(duì)沿著鋸齒形和扶手椅形邊緣傳播的1D邊緣等離子體激元的直接表征和比較仍然尚不完善。

成果簡(jiǎn)介

近日，中山大學(xué)Shaozhi Deng、Huanjun Chen和Weiliang Wang合作，以“A Nano-Imaging Study of Graphene Edge Plasmons with Chirality-Dependent Dispersions”為題，在Adv. Optical Mater.發(fā)表最新研究成果，報(bào)道了鋸齒形和扶手椅形邊緣的等離子體模式及其色散的研究。作者采用納米成像技術(shù)來(lái)觀察這兩個(gè)邊緣，并證明邊緣等離子體激元行為強(qiáng)烈依賴于手性。這兩個(gè)邊緣的等離子體色散可以通過(guò)化學(xué)摻雜來(lái)改變。由于鋸齒形邊緣更強(qiáng)的分子吸收能力，相關(guān)的等離子體激元顯示出更寬的調(diào)諧范圍。

研究亮點(diǎn)

（1）利用真實(shí)空間的納米成像，首次可視化和比較了分別沿鋸齒形和扶手椅形邊緣傳播的邊緣等離子體模式；

（2）在原始石墨烯中，鋸齒形和扶手椅型邊緣的等離子體波與片狀模式的等離子體波相同，且比片狀模式的等離子體波短，表明存在更強(qiáng)的電磁場(chǎng)局域特性；

（3）通過(guò)化學(xué)摻雜，兩種邊緣模式的等離子體波長(zhǎng)都發(fā)生紅移，鋸齒形模式顯示出更顯著的波長(zhǎng)增量，是扶手椅邊緣波長(zhǎng)增量的三倍。。

圖文導(dǎo)讀

1.?石墨烯手性確定

通過(guò)機(jī)械剝離大塊石墨制備石墨烯，并轉(zhuǎn)移到硅襯底上。為了在同一石墨烯片上測(cè)試和對(duì)比兩種類型的邊緣，選擇了具有90°角的樣品(圖1a)。石墨烯片的厚度通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)表征來(lái)確定(圖1b)，為0.8 nm，證實(shí)了其單層性質(zhì)。此外，原子力顯微鏡形貌顯示，光滑的石墨烯表面沒(méi)有缺陷、雜質(zhì)和褶皺。

用拉曼光譜對(duì)石墨烯樣品進(jìn)行表征。圖1c比較了從單層石墨烯的三個(gè)典型位置收集的拉曼光譜。在樣品的中心，2D峰(≈2700 cm^-1)和G峰(≈1600 cm^-1)之間的強(qiáng)度比為≈2.4，表明單層石墨烯的結(jié)晶度很高。兩個(gè)邊緣的拉曼光譜彼此不同，而且與中心位置的也不同。G峰是由縱向光學(xué)聲子和橫向光學(xué)聲子貢獻(xiàn)的，其中縱向光學(xué)聲子在扶手椅邊緣是活躍的，而橫向光學(xué)聲子在鋸齒形邊緣是主要的。因此，這種特性使得能夠通過(guò)偏振拉曼光譜來(lái)識(shí)別邊緣類型。

圖1d、e總結(jié)了G峰(I_G)的強(qiáng)度和角度θ的關(guān)系，角度θ由入射光的偏振方向和特定邊緣確定的?？梢杂^察到相反的偏振相關(guān)性，其中在鋸齒形(扶手椅型)邊緣處，相對(duì)于θ，I_G增加(減少)(圖1e)。區(qū)分邊緣類型的另一個(gè)證據(jù)是D峰和G峰的強(qiáng)度比，鋸齒形邊緣的I_D/I_G(≈0.1)比扶手椅形邊緣(≈0.27)弱。

圖1?單層石墨烯片邊緣類型確認(rèn)。（a）單層石墨烯片的掃描電子顯微鏡圖像，及其（b）原子力顯微鏡圖像；（c）樣品中心和兩種邊緣的典型拉曼光譜；（d）鋸齒和扶手椅型邊緣的偏振相關(guān)拉曼光譜；（e）I_G和θ的關(guān)系；（f）由I_D/I_G構(gòu)建的拉曼映射圖像，顯示扶手椅邊緣(亮條紋)具有較大的I_D/I_G值。

2.?納米成像測(cè)量

使用基于散射型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的納米成像技術(shù)，來(lái)研究單層石墨烯樣品的等離子體特性(圖2a)。圖2b顯示了石墨烯片、鋸齒形和扶手椅形邊緣的典型納米成像結(jié)果。在原始石墨烯樣品中，平行于兩個(gè)邊緣可以發(fā)現(xiàn)明顯的亮條紋，這是由于在邊緣反射的等離子體波的干涉而導(dǎo)致的等離子體片模式(圖2b，上圖)。此外，沿著兩個(gè)邊緣，可以觀察到一系列的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)。這些特征源于等離子體波的干涉，這些等離子體波沿著1D邊緣傳播，并被90°反射。

圖2c示出了s-SNOM圖像沿四個(gè)典型方向的線圖譜分析，這四個(gè)典型方向分別垂直于鋸齒形(綠色實(shí)線)和扶手椅形邊緣(紅色實(shí)線)，以及沿兩個(gè)手性邊緣(綠色虛線和紅色虛線)。注意到，邊緣模式的等離子體激元波長(zhǎng)小于薄片模式的等離子體激元波長(zhǎng)，表明更強(qiáng)的電磁場(chǎng)局域特性。

進(jìn)而，作者測(cè)量?jī)蓚€(gè)邊緣模式的色散關(guān)系，即等離子體頻率ω與其波矢量q的關(guān)系，并將它們與相應(yīng)的片模式進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，隨著ω的增加，邊緣模式和薄片模式都表現(xiàn)出增加的q(減少的等離子體波長(zhǎng))(圖2d，f)。此外，兩種邊緣模式的色散曲線與兩種薄片模式的色散曲線相同且相似。這些結(jié)果清楚地表明，等離子體邊緣模式，不管它們的手性如何，都表現(xiàn)出典型的受狄拉克費(fèi)米子無(wú)質(zhì)量性質(zhì)支配的石墨烯等離子體激元特征。

鋸齒形邊緣顯示出比扶手椅型邊緣更大的電子態(tài)密度，這將影響電子散射率，因此預(yù)計(jì)沿兩類邊緣等離子體波長(zhǎng)不同。然而，根據(jù)干涉條紋的直接比較(圖2c、d)，不能區(qū)分對(duì)應(yīng)于兩個(gè)邊緣的等離子體波長(zhǎng)。作者將這種差異歸因于測(cè)量中使用的石墨烯片內(nèi)的低電荷載流子密度。因此，進(jìn)一步對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜，并進(jìn)行了納米成像測(cè)量。摻雜將在石墨烯片中引入更多的載流子，這有助于區(qū)分兩個(gè)手性邊緣的等離子體性質(zhì)。結(jié)果顯示：（1）兩種邊緣模式的等離子體波在化學(xué)摻雜后都被拉長(zhǎng)，同時(shí)，摻雜僅改變邊緣模式的波長(zhǎng)，而不改變它們的1D等離子體激元色散特性；（2）與扶手椅邊緣的等離子體模式相比，鋸齒形邊緣的等離子體模式顯示出更大的等離子體波長(zhǎng)；（3）除了等離子體波長(zhǎng)偏移，化學(xué)摻雜也導(dǎo)致等離子體振幅的增強(qiáng)。如圖2b所示，與原始石墨烯片的振幅相比，化學(xué)摻雜后，兩個(gè)邊緣的近場(chǎng)振幅都變得更強(qiáng)。

圖2?單層石墨烯片中等離子體片模式和邊緣的納米成像。（a）s-SNOM測(cè)量的示意圖；（b）單層石墨烯的近場(chǎng)光學(xué)振幅圖像；（c）沿（b）中指示的實(shí)線提取的近場(chǎng)光學(xué)振幅曲線；原始單層石墨烯中等離子體邊緣模式（d）和薄片模式（f）的色散；（e，g）對(duì)應(yīng)于（d）和（f）的摻雜單層石墨烯中的等離子體激元色散。

3.?數(shù)值模擬

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證。通過(guò)比較沿著兩個(gè)邊緣和片內(nèi)的曲線，可以發(fā)現(xiàn)邊緣模式的等離子體激元波長(zhǎng)比薄片模式的短。此外，對(duì)于原始石墨烯片，獲得的λpe-arm和λpe-zig都是176.6 nm，而片模式的等離子體激元波長(zhǎng)是227.6 nm(圖3c)。

然后，作者對(duì)摻雜的石墨烯進(jìn)行模擬?？梢郧宄乜吹?，與扶手椅邊緣的模式相比，鋸齒形邊緣模式的等離子體激元波長(zhǎng)變化更大。此外，原始石墨烯和摻雜石墨烯的比率λe/λp在0.74至0.88的范圍內(nèi)。這些結(jié)論與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致(圖2c，下圖)。

圖3?單層石墨烯片中等離子體片模式和邊緣模式的數(shù)值模擬。電偶極子誘導(dǎo)的（a）原始石墨烯和（b）摻雜石墨烯的近場(chǎng)分布；（c，d）沿（a）和（b）中所示的彩色虛線和實(shí)線記錄的Re(Ez)線輪廓。

4.?第一性原理計(jì)算

上述真實(shí)空間納米成像測(cè)量和數(shù)值模擬表明，在化學(xué)摻雜時(shí)，與扶手椅型邊緣相比，鋸齒形邊緣可以導(dǎo)致等離子體模式(1D邊緣模式和2D片模式)在波長(zhǎng)方面具有優(yōu)異的可調(diào)諧性。為了更深入地了解這種依賴于手性的行為，利用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，研究了兩個(gè)邊緣的局域電子結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的化學(xué)吸附能力。

首先檢查沒(méi)有分子吸附的干凈石墨烯邊緣(上圖4a)。計(jì)算出的電子能帶結(jié)構(gòu)清楚地表明鋸齒形邊緣是金屬性質(zhì)的，而扶手椅型邊緣是半導(dǎo)體性質(zhì)的(圖4b，c)。此外，在吸附NO₃^–基團(tuán)時(shí)，電子將在兩個(gè)邊緣被湮滅(圖4d，e，綠色區(qū)域)。相比之下，NO₃^–基團(tuán)在鍵合到邊緣時(shí)顯示出多余的電子(圖4d，e，黃色區(qū)域)。這些結(jié)果都與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符合。

在驗(yàn)證了密度泛函理論計(jì)算的有效性后，進(jìn)一步檢驗(yàn)和比較了NO₃^–基團(tuán)在兩個(gè)邊緣的吸附能力。結(jié)果表明，與扶手椅邊緣相比，NO₃^–更容易被吸附到鋸齒形邊緣上。因此，在相同的硝酸蒸汽暴露下，鋸齒形邊緣易于被空穴摻雜。因此，與扶手椅型邊緣的等離子體模式相比，鋸齒形邊緣的等離子體模式在化學(xué)摻雜時(shí)表現(xiàn)出更寬的調(diào)諧范圍和更強(qiáng)的振幅。

圖4?石墨烯邊緣HNO₃摻雜的第一性原理計(jì)算。（a）石墨烯邊緣的分子構(gòu)型；鋸齒形（b）和扶手椅形（c）邊緣的電子能帶結(jié)構(gòu)；（d，e）鋸齒形和扶手椅形邊緣的電子密度差分布。

結(jié)論

綜上，本文采用真實(shí)空間納米成像技術(shù)直接發(fā)射、觀察和比較沿單層石墨烯片的鋸齒形和扶手椅形邊緣傳播的等離子體模式。結(jié)果表明，由于鋸齒形邊緣的金屬性質(zhì)，相比于邊緣模式或片模式，其等離子體模式對(duì)化學(xué)摻雜更敏感，鋸齒邊緣模式的等離子體波位移比扶手椅型邊緣的大。此外，本研究表明，納米成像技術(shù)可以作為研究2D原子晶體中與手性相關(guān)的等離子體行為的高空間分辨率探針。此外，還可以為基于2D偏振材料的未來(lái)中紅外納米光器件的發(fā)展提供深入見(jiàn)解。

文獻(xiàn)鏈接

A Nano-Imaging Study of Graphene Edge Plasmons

with Chirality-Dependent Dispersions (Adv. Optical Mater.?2021, 9, 2100207, DOI: 10.1002/adom.202100207)

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adom.202100207

研究背景

雖然石墨烯基器件已被廣泛用于從自然界獲取各種能量，但用于能量獲取的石墨烯片的波傳播特性研究仍缺乏深入研究。

成果簡(jiǎn)介

澳大利亞莫納什大學(xué)Wenhui Duan和東南大學(xué)Jian Zhang合作，以“Wave Propagation in Elliptic Graphene Sheet for Energy Harvesting”為題，在Nano Energy上發(fā)表最新研究成果，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了橢圓石墨烯片的波傳播，以實(shí)現(xiàn)高效的能量收集。研究發(fā)現(xiàn)，橢圓石墨烯片的能量收集效率優(yōu)于三種長(zhǎng)寬比的矩形石墨烯片，證明了橢圓石墨烯片在能量收集方面的優(yōu)越性?？紤]到能量收集時(shí)間和效率，縱橫比為2的橢圓形石墨烯片具有最佳的動(dòng)能收集效果。該研究發(fā)現(xiàn)將對(duì)設(shè)計(jì)和制造新興的二維材料基能量采集器、質(zhì)量傳感器和氣體探測(cè)器有極大地啟發(fā)作用。

研究亮點(diǎn)

（1）首次研究了橢圓石墨烯在脈沖載荷下的波傳播模式；

（2）通過(guò)施加正弦載荷，研究不同長(zhǎng)寬比的橢圓石墨烯片的波傳播速度；

（3）通過(guò)在不同位置施加線脈沖載荷，研究了橢圓單層石墨烯的波聚焦現(xiàn)象。

圖文導(dǎo)讀

1.?橢圓形石墨烯建模

首先介紹了橢圓石墨烯片的概念，用于研究波傳播、波聚焦和能量傳輸特性。石墨烯的蜂窩狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。橢圓形石墨烯片的設(shè)計(jì)和示意圖，如圖1(b)和(c)所示。

橢圓形石墨烯片具有兩個(gè)焦點(diǎn)(表示為f1和f2)和一個(gè)橢圓中心。在下面的模擬中，下焦點(diǎn)f1被設(shè)計(jì)為裝載源位置，上焦點(diǎn)f2被認(rèn)為是接收端?？v橫比為1.5、2和2.5的橢圓形石墨烯片被建模和分析，以研究波聚焦和能量傳輸現(xiàn)象的差異。

在模擬中，在石墨烯片上施加了兩種載荷，包括點(diǎn)載荷(施加在一個(gè)碳原子上)和線載荷(施加在一行中的幾個(gè)碳原子上)。利用橢圓石墨烯片在點(diǎn)載荷作用下的動(dòng)態(tài)位移，來(lái)研究波的傳播和能量傳輸速度。此外，對(duì)橢圓石墨烯片在線載荷下的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，研究能量收集應(yīng)用中的波聚焦現(xiàn)象。

橢圓石墨烯片和動(dòng)態(tài)模擬在Materials Studio進(jìn)行，碳原子之間的相互作用通過(guò)COMPASS力場(chǎng)進(jìn)行模擬。

2.?橢圓石墨烯片在點(diǎn)和線載荷下的波傳播模式

2.1?點(diǎn)載荷

研究了橢圓石墨烯片在點(diǎn)和線載荷下的波傳播模式。每種震源類型都考慮了兩種類型的載荷，即脈沖沖擊載荷和正弦載荷。確定了橢圓石墨烯片在正弦載荷下的波傳播速度。更重要的是，對(duì)橢圓石墨烯片在線脈沖載荷下的波聚焦現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛的研究，并研究了縱橫比和加載位置對(duì)波聚焦和能量集中的影響，并與矩形石墨烯片進(jìn)行了比較。

點(diǎn)脈沖載荷下縱橫比為2的橢圓形石墨烯片的波傳播結(jié)果如圖1(d)所示?？梢钥闯觯?strong>位移波從40 fs到2000 fs向接收端傳播，然后在到達(dá)固定邊界時(shí)向后反射。位移波能量在到達(dá)石墨烯片的邊界之前集中在下焦點(diǎn)(t = 200 fs，680 fs)。波能集中在位移大小相反的兩個(gè)區(qū)域(t = 1460 fs)，最終在下焦點(diǎn)、橢圓中心和上焦點(diǎn)(t = 2000 fs)周圍形成三個(gè)集中區(qū)。當(dāng)?shù)竭_(dá)固定邊界時(shí)，位移波發(fā)生后向反射，并在焦點(diǎn)和所研究的橢圓石墨烯片的橢圓中心周圍，形成三個(gè)不同位移大小的能量集中區(qū)。

圖1橢圓形石墨烯片的設(shè)計(jì)及示意圖。(a)石墨烯的蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；(b)二維視圖；(c)三維視圖；(d)脈沖載荷下，所研究的石墨烯片的波傳播模式。

圖2研究了橢圓石墨烯在點(diǎn)正弦載荷下的波傳播。如圖2(a)所示，橢圓石墨烯片在下焦點(diǎn)處受到周期為400 fs且振幅為10 km/s的點(diǎn)諧波速度。橢圓石墨烯在Y-Z平面正弦激發(fā)下的波傳播過(guò)程(側(cè)視圖)如圖2(b)所示，橢圓石墨烯在2000 fs時(shí)的三維變形圖形如圖2(c)所示?？梢钥闯?，位移波從所研究的石墨烯片的下焦點(diǎn)傳播到上焦點(diǎn)。橢圓石墨烯在X-Y平面的位移波傳播模式(俯視圖)如圖2(d)所示。正弦載荷下的橢圓石墨烯具有多個(gè)波聚焦區(qū)域，這些區(qū)域的數(shù)量取決于所施加載荷的頻率值。然而，橢圓石墨烯在脈沖載荷下總是有兩個(gè)/三個(gè)波聚焦區(qū)域。

縱橫比為2的橢圓形石墨烯片，在不同位置的動(dòng)態(tài)位移如圖2(e)所示。不同縱橫比的橢圓石墨烯的計(jì)算相速度如圖2(f)所示。結(jié)果表明，隨著石墨烯片長(zhǎng)寬比的增加，相速度略有增加。

圖2?點(diǎn)正弦載荷下，橢圓石墨烯的波傳播(a)示意圖；(b)模擬波傳播的側(cè)視圖；（c）2000 fs時(shí)波傳播模式的三維視圖；(d)不同時(shí)間波傳播模式的俯視圖；(e)石墨烯片在不同位置的動(dòng)態(tài)位移；(f)相速度。

2.2?線載荷

進(jìn)一步研究了線載荷下，橢圓單層石墨烯片的波傳播模式。圖3顯示了在線脈沖載荷下，縱橫比為2的橢圓形石墨烯片的波傳播結(jié)果。在下焦點(diǎn)周圍施加大小為10 km/s的線脈沖沖擊載荷，平行于橢圓形石墨烯片的水平軸(圖3(a))，并且在橢圓形石墨烯的不同位置的振動(dòng)位移在圖3(b)中繪出。圖3(c)給出了在2080 fs處，碳原子位移的三維表面圖。可以看出，在該圖中存在三個(gè)峰，兩個(gè)峰在上下焦點(diǎn)處，具有負(fù)振幅，一個(gè)峰在橢圓中心處，具有正振幅。

橢圓石墨烯在不同時(shí)間的波傳播模式如圖3(d)所示。在40 fs處形成窄的矩形能量集中區(qū)，然后它作為梯形集中區(qū)(t=100 fs)傳播。之后，位移波向前傳播兩個(gè)(t= 600 fs，800 fs)和三個(gè)不同的區(qū)域(t = 2080 fs)。當(dāng)位移波到達(dá)固定邊界時(shí)，波發(fā)生反射，能量集中在焦點(diǎn)(t = 3700 fs)和橢圓中心附近。

圖3?線脈沖載荷下，橢圓石墨烯的波傳播。(a)示意圖；(b)動(dòng)態(tài)位移；(c)2080 fs時(shí)動(dòng)態(tài)位移的三維表面圖；(d)不同時(shí)間的波傳播模式。

3?高效能量收集的波聚焦

研究了線脈沖載荷下，縱橫比對(duì)所研究的橢圓石墨烯片的波聚焦和能量輸運(yùn)的影響，并研究了加載位置(即平行于石墨烯片的垂直軸和水平軸)對(duì)波聚焦的影響。

3.1?縱橫比的影響

首次研究了橢圓石墨烯片在平行于短軸的線脈沖載荷作用下的波聚焦現(xiàn)象，具有不同縱橫比的橢圓形石墨烯的結(jié)果如圖4所示。在該研究中，在平行于具有三個(gè)縱橫比的橢圓形石墨烯片的短軸的9個(gè)碳原子上，施加10 km/s量級(jí)的脈沖速度(圖4(a))。

使用石墨烯片的模擬位移和振動(dòng)頻率來(lái)計(jì)算石墨烯片的動(dòng)能密度E_k，不同縱橫比的橢圓形石墨烯片的空間能量分布如圖4(b)所示?？梢钥闯?，動(dòng)能集中在具有三個(gè)縱橫比的橢圓石墨烯的下焦點(diǎn)和上焦點(diǎn)。圖4(c)提取并比較了不同時(shí)間沿主軸的動(dòng)能密度。三個(gè)不同長(zhǎng)寬比的橢圓形石墨烯片呈現(xiàn)兩個(gè)不同的峰，表明動(dòng)能可以在石墨烯片的兩個(gè)焦點(diǎn)處獲得?？v橫比為2的橢圓形石墨烯片的動(dòng)能密度在三個(gè)橢圓形石墨烯片中具有最高的能量峰值。因此，優(yōu)化橢圓形石墨烯片的縱橫比對(duì)于獲取最大的能量是極為重要的。

圖4?不同長(zhǎng)徑比橢圓石墨烯片的能量聚焦。(a)加載條件示意圖；(b)空間能量分布；(c)沿主軸的時(shí)變動(dòng)能密度。

此外，還比較了橢圓形石墨烯片和矩形石墨烯片的能量聚焦現(xiàn)象?？v橫比為2的矩形和橢圓形石墨烯片的能量聚焦的結(jié)果如圖5所示。作用在矩形石墨烯片上的線脈沖載荷(圖5(b))保持與作用在橢圓形石墨烯片上的線脈沖載荷相同(圖5(a))。圖5(c)繪出了接收端的計(jì)算動(dòng)能，以研究能量集中現(xiàn)象。在0 fs到4000 fs范圍內(nèi)，橢圓石墨烯在接收端的動(dòng)能大于矩形石墨烯。在4000 fs時(shí)，與矩形石墨烯相比，橢圓形石墨烯片具有兩個(gè)不同的能量集中區(qū)域。為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象，提取了沿著橢圓形和矩形石墨烯板的主軸的動(dòng)能密度(如圖5 (d)所示)?？梢钥闯觯瑱E圓形石墨烯片上下焦點(diǎn)處的動(dòng)能密度分別是相應(yīng)矩形石墨烯片的1.33倍和1.19倍。可以得出結(jié)論，與矩形石墨烯相比，橢圓形石墨烯片可以在焦點(diǎn)處獲得更多的能量。這一現(xiàn)象證明了橢圓形石墨烯片比矩形石墨烯片更適合能量收集。

圖5?線沖擊加載源下，矩形和橢圓形石墨烯片的波聚焦比較。(a)橢圓形石墨烯的加載條件；(b)矩形石墨烯的加載條件；(c)接收端的能量演化曲線；(d)沿垂直軸的能量密度；(e)沿水平軸的能量密度。

此外，為了說(shuō)明能量收集效率，提取并比較了橢圓石墨烯和矩形石墨烯在不同時(shí)間的動(dòng)能。在該研究中，在下焦點(diǎn)周圍施加線脈沖加載源，縱橫比為2.5的橢圓形和矩形石墨烯片的時(shí)變能量密度如圖6所示。結(jié)果表明，相對(duì)于矩形石墨烯片，橢圓形石墨烯片可以在短時(shí)間內(nèi)在接收端獲得與加載位置相同的能量。結(jié)果表明，相對(duì)于矩形石墨烯片，橢圓形石墨烯片可以在短時(shí)間內(nèi)在接收端獲得與加載位置相同的能量。

圖6(c)進(jìn)一步比較了橢圓形和矩形石墨烯片的能量收集時(shí)間?？梢钥闯?，縱橫比為2的矩形石墨烯片的能量收集時(shí)間在三個(gè)縱橫比中是最低的，其次是縱橫比為2.5和1.5的石墨烯片，這個(gè)現(xiàn)象和橢圓形石墨烯片是一樣的。矩形石墨烯片和橢圓形石墨烯片的區(qū)別在于，橢圓形石墨烯片收獲相同能量所需的時(shí)間比矩形石墨烯片少。此外，圖6(d)計(jì)算了矩形和橢圓形石墨烯片的能量收集效率。研究發(fā)現(xiàn)，橢圓石墨烯片的能量收集效率優(yōu)于三種長(zhǎng)寬比的矩形石墨烯片，證明了橢圓石墨烯片在能量收集方面的優(yōu)越性。

圖6?石墨烯片能量收集效率的比較。(a)橢圓形石墨烯片的能量密度演化；(b)矩形石墨烯片的能量密度演化；(c)能量收集時(shí)間；(d)能量收集效率。

3.2?加載位置的影響

進(jìn)一步研究了橢圓石墨烯片在不同加載位置下的波聚焦現(xiàn)象和能量輸運(yùn)。為了研究加載位置對(duì)波聚焦現(xiàn)象的影響，在橢圓石墨烯片的右中部和右下部施加了線脈沖加載。

縱橫比為2的橢圓形石墨烯片的能量傳輸結(jié)果如圖7所示。圖7(a)顯示了當(dāng)線脈沖載荷位于右中心部分時(shí)，沿垂直軸的動(dòng)能密度的演變?？梢钥闯?，開(kāi)始時(shí)動(dòng)能集中在石墨烯片的右中央部分。它傳播到下焦點(diǎn)(t = 2 ps，4 ps)，最后聚焦在上下焦點(diǎn)(t = 6 ps，8 ps)。橢圓石墨烯的這種能量傳輸路徑與右下部分應(yīng)用線脈沖加載時(shí)的結(jié)果相同(圖7(b))。

圖7?加載位置對(duì)長(zhǎng)寬比為2的橢圓石墨烯片波聚焦和能量輸運(yùn)的影響。(a)加載作用在石墨烯片的右側(cè)；(b)加載作用在石墨烯片的右下方。

將線加載源位于不同位置時(shí)，橢圓形石墨烯的動(dòng)能分布與矩形石墨烯進(jìn)行比較(圖8)。圖8(a)和圖8(c)示出了不同加載位置下橢圓形和矩形石墨烯片在8 ps時(shí)的空間能量分布?？梢钥闯?，與相應(yīng)的矩形石墨烯相比，無(wú)論在哪里施加線沖擊載荷，橢圓形石墨烯片都具有兩個(gè)不同的能量集中區(qū)域，并且更多的能量?jī)A向于集中在橢圓形石墨烯片，而不是矩形石墨烯片的上下焦點(diǎn)處。

圖8（b）和（d）表明，橢圓形石墨烯片比矩形石墨烯片能收獲更多的能量，同時(shí)也證明了無(wú)論線載荷在哪里作用，動(dòng)能都趨向于集中在橢圓石墨烯片的焦點(diǎn)上。

圖8?矩形和橢圓形石墨烯片的能量收集比較。(a)當(dāng)線脈沖載荷施加在右中心部分時(shí)的空間能量分布；(b)沿主軸的能量密度；(c)在右下方施加線脈沖載荷時(shí)的空間能量分布；(d)沿主軸的能量密度；

結(jié)論

石墨烯片已被廣泛用于利用波傳播特性，設(shè)計(jì)納米諧振器和吸收器。然而，橢圓石墨烯片的波傳播模式和能量輸運(yùn)尚未得到研究。本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了橢圓石墨烯片在不同加載條件和幾何參數(shù)下的波傳播、波聚焦和能量輸運(yùn)行為。本文的研究結(jié)果對(duì)能量采集器的設(shè)計(jì)和制造有一定的參考價(jià)值。。

文獻(xiàn)鏈接

Wave Propagation in Elliptic Graphene Sheet for Energy Harvesting (Nano Energy,?2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106089)

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106089

不少人認(rèn)為石墨烯是中美兩國(guó)之間貿(mào)易談判的重要因素，也視為我國(guó)的重要籌碼。我國(guó)在石墨儲(chǔ)量、產(chǎn)量均為世界第一，不少國(guó)家需從我國(guó)進(jìn)口該材料，這也存在了一定的戰(zhàn)略定位。石墨烯廣泛應(yīng)用在電子制造、軍事武器、汽車制造等行業(yè)。本身的特質(zhì)也非常突出，韌性、超導(dǎo)熱性、透明性、高強(qiáng)度、超導(dǎo)電性和低環(huán)境污染性都是它的特性。最重要的是近年的技術(shù)研究，它可能是替代石油的新能源之一。

近年，不少新能源電動(dòng)車企業(yè)研發(fā)石墨烯材質(zhì)的動(dòng)力電池。石墨烯是一種導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都極好的材料，是目前最輕薄、最高強(qiáng)度和導(dǎo)電導(dǎo)熱最好的材料。其獨(dú)特的物理特性被不少人譽(yù)為“未來(lái)新材質(zhì)”。

在2020年5月，廣汽集團(tuán)新能源研發(fā)部門(mén)就公布了石墨烯動(dòng)力電池。官方宣稱電池能在8分鐘充至85%的電量，而且使用壽命和安全性也都達(dá)到了量產(chǎn)使用的標(biāo)準(zhǔn)。在2000次循環(huán)充電后依然有90%的電荷容量，搭載這種新材料電池的純電動(dòng)車的續(xù)航輕松突破700公里以上，甚至可達(dá)1000公里。這也很好的解決了純電動(dòng)車的充電慢，續(xù)航短的兩個(gè)痛點(diǎn)。對(duì)于目前主流使用的三元鋰、磷酸鐵鋰有著更明顯的優(yōu)勢(shì)，這也成為新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)。

（市場(chǎng)上也有采用石墨烯材質(zhì)電池的電動(dòng)踏板車）

目前石墨烯在動(dòng)力電池的應(yīng)用主要有兩方面，一是作為電極材料，另一個(gè)就是導(dǎo)電劑，這都能有效改善電池導(dǎo)電性能。當(dāng)然，石墨烯也有它的短板，目前制造石墨烯的成本較高，并且技術(shù)方面還有待提升，若要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，還存在一定的難度。

隨著國(guó)內(nèi)政策的支持和企業(yè)的研發(fā)能力提升，石墨烯電池有望成為未來(lái)新能源純電動(dòng)汽車發(fā)展趨勢(shì)。目前，產(chǎn)業(yè)鏈上游在原料供應(yīng)方面，在提取高純石墨純化技術(shù)上取得了突破，全國(guó)首條自動(dòng)化石墨烯生產(chǎn)線已開(kāi)始試生產(chǎn)，有望解決從前石墨烯制備技術(shù)制約。下游新興領(lǐng)域的發(fā)展和產(chǎn)品應(yīng)用促進(jìn)市場(chǎng)增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)石墨烯市場(chǎng)規(guī)模在未來(lái)有望以高增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)。

除了應(yīng)用在電動(dòng)汽車電池外，我們?nèi)粘３Ｓ玫降氖謾C(jī)電池也同樣可采用石墨烯材質(zhì)。這對(duì)于智能手機(jī)的續(xù)航能力有了大提升，哪怕是重度手機(jī)使用者，手機(jī)電池也能滿足一天的需求，配合各手機(jī)廠的快充技術(shù)，或許日后大家就不用帶著充電寶外出和付費(fèi)租用。石墨烯應(yīng)用范圍非常廣，特別是電子制造業(yè)，不少數(shù)碼產(chǎn)品的零件和生產(chǎn)材料都運(yùn)用到石墨烯，且暫時(shí)并未有其它材質(zhì)能完美替代，所以有不少人稱石墨烯是“黑色的黃金”。

14、11、7、5。

這是傳統(tǒng)硅基芯片的制程進(jìn)化。從14nm到11nm，再到7nm、5nm……隨著科技飛速發(fā)展，電子設(shè)備的處理效率也越來(lái)越高，十年前最頂配電腦運(yùn)行依然稍有卡頓的游戲，今天在手機(jī)上就能輕松暢玩。眾所周知，電子設(shè)備的性能高低，往往和中央處理器密不可分。那又是什么造就了處理器性能的提升？答案顯而易見(jiàn)，是芯片的升級(jí)。

芯片的升級(jí)，主要是在相同的尺寸下，增加更多的晶體管。在幾十年的研究后，人類在硅基芯片方面已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步。但是，根據(jù)摩爾定律，硅基芯片的發(fā)展有本身的瓶頸。人類現(xiàn)在的芯片研發(fā)，已經(jīng)接近硅基芯片的極限。晶體管柵極寬度越低，電子移動(dòng)距離就越窄，就越容易出現(xiàn)漏電情況，解決也極為困難。可以肯定的是，在硅基芯片制程達(dá)到1nm物理極限后，就需要找到新的材料，以替代傳統(tǒng)芯片進(jìn)行性能上的升級(jí)。

事實(shí)上，在還沒(méi)有達(dá)到極限前的今天，各國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始尋找硅基芯片的可能替代材料，并取得了階段性的突破。

近日，英國(guó)塞薩斯大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今為止最小的微芯片，該芯片由石墨烯及其他2D材料采用“納米折紙”的形式制作而成。

研究人員通過(guò)在石墨烯結(jié)構(gòu)中形成紐結(jié)，當(dāng)石墨烯條以此方式卷曲，其行為就可以像微芯片一般。最值得期待的地方在于，基于石墨烯等新材料的微芯片，體積比傳統(tǒng)硅基芯片縮小了約100倍！

該論文第一作者M(jìn)anoj Tripathi博士表示，已經(jīng)證明可以通過(guò)故意在結(jié)構(gòu)中加入扭結(jié)，來(lái)創(chuàng)建石墨烯和其他2D材料的結(jié)構(gòu)。通過(guò)制造這種波紋，可以批量可控的制造晶體管或邏輯門(mén)。

相比傳統(tǒng)的硅基芯片，石墨烯微芯片除了在體積上的優(yōu)勢(shì)外，性能上也將優(yōu)于傳統(tǒng)硅基芯片。塞薩斯大學(xué)的艾倫·道爾頓（Alan Dalton）教授表示，使用納米材料將使芯片體積更小，速度更快。在技術(shù)成熟后，或使電腦與電話的運(yùn)行速度有數(shù)千倍的提升。

其實(shí)，石墨烯造芯片的構(gòu)想很早前就被提出。在石墨烯微芯片的制造過(guò)程中，不需要添加額外材料，而且在室溫下就可以完成芯片加工，在環(huán)保性及節(jié)約材料方面，石墨烯微芯片將更具優(yōu)勢(shì)。另外，由于石墨烯的高導(dǎo)電性特點(diǎn)，意味著石墨烯將比硅基芯片更穩(wěn)定，更不容易產(chǎn)生漏電情況。

石墨烯微芯片優(yōu)勢(shì)巨大，各國(guó)都在主動(dòng)布局，以搶占未來(lái)芯片先機(jī)。而我國(guó)也在碳基芯片上取得了令人驕傲的成果，目前領(lǐng)先全球。2020年10月，我國(guó)中科院上海微系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)，就公布了其十年磨一劍的成果——8英寸石墨烯單晶晶圓。石墨烯晶圓，是實(shí)現(xiàn)電子器件集成的關(guān)鍵。值得一提的是，目前這款產(chǎn)品已經(jīng)能夠小批量生產(chǎn)，這預(yù)示著我國(guó)將開(kāi)啟微電子技術(shù)變革，產(chǎn)業(yè)化更進(jìn)一步。

除此之外，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模領(lǐng)先全球，石墨烯微芯片的研究，對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)是全新的機(jī)會(huì)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)科技飛速發(fā)展的今天，石墨烯將成為超越傳統(tǒng)硅基芯片的“潛力股”。在未來(lái)的芯片市場(chǎng)上，極有可能是中國(guó)企業(yè)進(jìn)行主導(dǎo)，讓芯片徹底擺脫“受制于人”的尷尬現(xiàn)狀。