石墨烯到底 有什么用呢?让我们来看两个例子。 柔软的透明电极 柔软的透明电极 在很多电器里,都需要用到透明的导电材料作为电极,电子表、计算器、电视机、液晶显示器、触摸 屏、太阳能电池板等等诸多设备里都无法离开透明电极的存在。传统的透明电极用的是氧化铟锡 (Indium Tin Oxide,简称 ITO),由于铟的价格高昂和供应受限,而且这种材料比较脆,缺乏柔韧 性,并且制作电极过程中需要在真空中层沉积而成本比较高,很长时间以来,科学家们都在致力于寻 找它的替代品。除了透明、导电性好、容易制备等要求,如果材料本身的柔韧性比较好话,将适合用 来做“电子纸”或者其他可以折叠的显示设备,因此柔韧性也是一个很重要的方面。而石墨烯正是这么 一种材料,非常合适来做透明电极。 韩国三星公司和成均馆大学的研究人员利用化学气相沉积的方法获得了对角长度为 30 英寸的石墨烯, 并将其转移到 188 微米厚的聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,简称 PET)薄膜 上,进而制造出了以石墨烯为基础的触摸屏[4]。如下图所示,生长在铜箔上的石墨烯先和热剥离型胶 带(蓝色透明部分)粘在一起,然后用化学的方法把铜箔溶解掉,最后用加热的方法把石墨烯转移到 PET 薄膜上去。 生长在铜箔上的石墨烯转移到 PET 薄膜的过程示意图 研究者们在石墨烯上适当的位置印上银电极,用银电极把材料划分成一块块 3.1 英寸大小的区域,然 后在区域内的石墨烯上放上规则排布的绝缘点阵。这样两片对应的组装在一起就做成了弹性很好的触 摸屏器件。当它同电脑上的控制软件连通时,它就能发挥触摸屏的作用了。 从上到下:在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为 3.1 英寸的区域;组装好的石墨烯触摸屏面板; 接到电脑上使用的石墨烯触摸屏。 这个触摸屏的工作原理很容易理解。像下图中显示的那样,触摸屏由上下两层粘在 PET 薄膜上的石墨 烯构成,没有接触的情况下,两层石墨烯被下层上放置的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在 的时候,PET 薄膜和石墨烯在压力下发生形变,这样上下两层石墨烯就发生接触,电路联通。接触的 位置不同,器件边缘电极收集到的电信号也不一样,通过对电信号的分析,就可以确定是触摸屏上的 哪个位置发生了接触。 石墨烯触摸屏的工作原理示意图。 新型的光电感应设备 新型的光电感应设备 石墨烯有非常独特的光学性质。虽然只有一层原子,但是它在整个可见光直到红外的波长范围内都可 以吸收入射光的 2.3%,这个数字和石墨烯的其他材料参数没有关系,是由量子电动力学决定的[6]。 吸收的光会导致载流子(电子和空穴)的产生,石墨烯里面载流子的产生和输运都和传统的半导体有 很大不同。这使得石墨烯很合适用来做超快的光电感应设备,据估计,这样的光电感应设备有可能能 以 500GHz 的频率工作,用于信号传输的话,每秒钟可以传送 5000 亿个 0 或者 1[7],可以在 1 秒 内完成两张蓝光光碟内容的传输。 美国 IBM Thomas J. Watson Research Centre 的专家们利用石墨烯,制造出了可以工作在 10GHz 频率的光电感应设备[8]。首先,用“撕胶带法”在覆盖有 300 纳米厚二氧化硅的硅衬底上面准 备好石墨烯小片,然后在上面做出间隔为 1 微米宽度为 250 纳米的钯-金或者钛-金电极。这样,就得 到了一个以石墨烯为基础的光电感应设备。 石墨烯光电感应设备的示意图和实际样品的扫描电子显微镜(SEM)照片。图中的黑色短线对应 5 个 微米,金属线之间的距离是一个微米。 通过实验,研究者们发现,这种金属-石墨烯-金属结构的光电感应设备最高可以达到 16GHz 的工作 频率,并且可以高速工作在从 300 纳米(近紫外)到 6 微米(红外)的波长范围内,而传统的光电感 应管则不能对波长较长的红外光响应。石墨烯光电感应设备的工作频率还有很大的提高余地,优越的 性能使得它有着广泛的包括通讯、遥控、环境监测在内的应用前景。 作为一种性质独特的新兴材料,关于石墨烯应用的研究层出不穷。我们在这里难以一一列举。将来, 还有可能会在日常生活中出现石墨烯做的场效应管、石墨烯做的分子开关、石墨烯做的分子探测 器……逐渐走出实验室的石墨烯,一定会在日常生活中大放异彩。 我们可以期待,在不远的将来出现大量的使用石墨烯的电子产品。想想看,如果我们手里的智能手机 和上网本在不用的时候,可以卷起来夹在耳朵上,塞在口袋里,或者围在手腕上,那是多么有趣啊! 参考文献: 1. Geim, A. K. and Novoselov, K. S. , Nature Materials 6 (3): 183–191 (2007). 2. Novoselov, K. S. et al., Science 306 (5696): 666 (2004). 3. Xuesong Li et al., Science 324 (5932), 1312 (2009). 4. SukangBae et al., , Nature Nanotechnology 5, 574-578 (2010). 5. Claire Berger et al., Science 26 (5777), 1191 (2006). 6. R. R. Nair et al., Science 320 (5881), 1308 (2008). 7. Fengnian Xia et al., Nature Nanotechnology 4, 839 (2009). 8. T. Mueller et al., Nature Photonics 4, 297(2010). 感谢候戏、水龙吟、Sheldon、小庄和八爪鱼对本文的帮助。 本文的修改版刊登在《21 世纪商业评论》2010 年 12 月·第 76 期,题为《当石墨烯入侵计算机……》。