石墨烯粉体和胶体低成本制备新技术

石墨烯粉体和胶体低成本制备新技术 上海交通大学

目录 背景技术描述合作模式

1 背景 21世纪最前沿技术之一： 2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由共同获得2010年诺贝尔物理学奖。英国财政大臣乔治-欧斯本承诺拿出5000万英镑(约合7778万美元)，研发基于这种超坚固材料的技术。来自权威科学杂志 “自然” 的最新消息称,韩国正计划投资三亿美金将石墨烯商业化,三星公司目前正在积极参与。石墨烯诺贝尔奖得主曾预言,石墨烯最快,最大规模的应用将出现在电池,特别是太阳能电池领域。百度词条“石墨烯”搜索结果3640000（2012年7月8日9:50）谷歌词条“Graphene”搜索结果12700000 （2012年7月8日9:51） 2012年4月11日下午，在宁波东港波特曼大酒店，华丽家族大股东上海南江(集团)有限公司与中科院宁波材料所、镇海区政府三方举行了石墨烯产业化项目签约仪式，决定通过设立合资企业的方式，推动石墨烯产业化生产。南江集团以2亿多元的天价买断中科院宁波材料所关于石墨烯规模化制备技术。

1 背景 神奇材料：是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料[3] ，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"[4]；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体*高，电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。

1 背景 影响文明的材料：在纳电子器件方面的应用 10倍于商用硅片的受温度和掺杂效应的影响很小的高载流子迁移率(约10 am /V·s)；室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达0.3 m)，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能；较大的费米速度和低接触电阻有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势；石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。代替硅生产超级计算机石墨烯的超高导电性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。

1 背景 影响文明的材料：光子传感器光子传感器用于检测光纤中携带的信息，现在这个角色还由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。基因电子测序由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本的基因电子测序技术。减少噪音美国IBM 宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(Graphene)”，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。

1 背景 影响文明的材料： 2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%； 2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现，石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜，将红外线照射到石墨烯薄膜上，只需很短时间就能放射出太赫兹光。如果今后能够继续改进技术，使光源强度进一步增大，将开发出高性能的激光器。 2010年，美国莱斯大学利用该石墨烯量子点，制作单分子传感器。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料，做成一个高速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。石墨烯储能设备的研制成功后，若能批量生产，则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。 1月8日，江南石墨烯研究院对外发布，全球首款手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。该成果经上海科学技术情报研究所和厦门大学查实，显示为国内首创。

1 背景 一切都起源于制备：微机械分离法利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，筛选有难度，尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片。取向附生法—晶膜生长碳原子在 1150 ℃下渗入钌，冷却到850℃后, 大量碳原子浮到钌表面，长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖 80 %后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。另外需要用稀有金属钌。加热碳化硅法该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。包信和等开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解规模制备高品质无支持（Free standing）石墨烯材料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。

1 背景 一切都起源于制备：石墨氧化剥离还原法采用强氧化性化学试剂氧化石墨，并通过超声等手段进行辅助剥离得到氧化石墨烯。然后通过溶液化学还原或者气相热还原等方法得到石墨烯。其原材料高度依赖于高结晶度的石墨，并且难以得到均一的石墨烯产品。化学气相沉积法沉积生长设备，条件控制的难度，以及转移。但对于原位形成器件是有独特优势的。

1 背景 一切都起源于制备：产能第一条石墨烯30吨/年生产线将在宁波镇海投产（2012年4月）价格 2000-5000元/克目前零售价 3元/克宁波技术报导成本 0.1美元/克专家预计极限成本 1元/克锂离子电池负极材料可接受价格性能大尺寸：即使CVD法能够实现的尺寸也终究有限。未来方向是温和条件的单元组装。因此对一级制备技术的要求会降低，而对组装技术应该优先发展。高纯度：取决于方法。

2 技术描述 特种基片基片回用浸渍生物质液晶溶液石墨烯胶体取出烘干超声处理气氛热处理基片表面沉积生物质液晶薄膜基片表面沉积石墨烯堆积薄膜

2 技术描述 • 技术要点： • 原材料独特，已经达到工业化生产技术水平，能够持续稳定供货，价格保持稳定（20万元/吨）； • 基片为已商品化产品，价格稳定且可反复使用； • 整个流程的设备均为常规设备，生产线建立快速稳定，无技术难点； • 产品质量高，石墨烯胶体透明无色； • 质量稳定，可批量大规模生产； • 成本低廉，大规模生产成本可达100万/吨，即1元/克，国际最低。

3 合作模式 原则：定位于从生物质液晶制备石墨烯粉体和胶体的研发和生产，以及后续衍生品的代加工。模式1：一次性买断本技术，基于本技术组建公司，公司的技术研发通过与上海交通大学建立校企联合研究中心委托给交大；模式2：与交大设立项目开展本技术的中试和前期市场工作，以获得本技术中试技术的部分权益和有限受让权，同时设定技术受让金额和发生条件；以设定金额受让本技术，并基于本技术设立公司，公司与上海交通大学建立校企联合研究中心开展相关研究工作。谈判方：上海交通大学+丰度电气有限公司联系人：赵斌元，13361993629，byzhao@sjtu.edu.cn

石墨烯粉体和胶体 低成本制备新技术