石墨烯因其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和機械性能被媒體稱作奇跡材料，近年來吸引了眾多科學(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)物理教授Geim、Novoselov博士，利用從超市買來的普通膠帶反復(fù)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(xué)家、化學(xué)家和材料學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)材料科學(xué)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(xué)界認為，熱力學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(xué)家們頗為期待的重要一項，也是最受關(guān)注的領(lǐng)域之一?！敝袊茖W(xué)院物理研究所郭海明副研究員告訴《科技導(dǎo)報》。

晶體管領(lǐng)域研究面臨困難

雖然媒體和部分科學(xué)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(dǎo)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(fù)合使用還需要很多的研究探索。

清華大學(xué)材料科學(xué)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(dǎo)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。