解析石墨烯的应用前景

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引言
碳原子呈六角形网状键合的材料“石墨烯”具有很多出色的电特性、热特性以及机械特性。具体来说，具有在室温下也高达20万cm2/Vs以上的载流子迁移率，以及远远超过铜的对大电流密度的耐性。为此，石墨烯有望用于高速晶体管、触摸面板、太阳能电池用透明导电膜，以及成本低于铜但与铜相比可通过大电流的电线等。
另外，在目前可以制作的片状材料中，石墨烯的厚度最薄、比表面积也较大。而且，还具有超过金刚石的强度、弹性模数和导热率。如果没有缺陷的话，即便是单层石墨烯，也不会通过大于氦（He）原子的物质。这些性质可以使石墨烯作为电池的电极材料、散热膜、MEMS传感器，或是理想的阻挡膜（BarrierFilm）。
与其他材料相比，石墨烯还拥有许多极为特殊的性质。例如，在室温下也可呈现量子霍尔效应；可实现名为“KleinTunneling”的、透射率为100％的通道效应；电阻值为固定值而与距离无关的“弹道输运”（BallisticTransport）的有效距离较长；按照由石墨烯上的自由电子来描述中微子的方程式（韦尔方程，WeylEquation），石墨烯可以像质量为零的粒子一样运动；而且，石墨烯具有被称为“赝自旋（Pseudospin）”和“赝磁场”的、宛如存在电子自旋和磁场的特性；石墨烯还拥有负折射率，等等。这些特性可以使石墨烯用于超高精度的气体传感器和应变传感器等。
本系列将介绍在实际应用中利用石墨烯的各种出色性质或特殊性质的先端技术。
“触摸面板”最快于2012年面世
相当于一层石墨的材料——石墨烯的研究开发在全球范围内正热火朝天地展开。仅2010年发表的相关研究论文就超过了3000篇。其中中国科学院和新加坡国立大学(theNationalUniversityofSingapore，NUS)在论文数量方面远远领先于其他研究机构。而理应在新材料开发上占有一定优势的日本研究机构却处于苦战之中。
在应用方面引领全球的国家是韩国。其中韩国三星电子已经发表了多项应用石墨烯的触摸面板和高速晶体管等研究成果。
三星目前在产品化的竞争方面也处于领先地位。因石墨烯获得2010年诺贝尔物理学奖的研究人员康斯坦丁·诺沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）和安德烈·海姆（AndreGeim）曾在诺贝尔获奖演讲“NobelLecture”等上表示三星已经制定利用石墨烯的产品群开发蓝图。开发蓝图中的第一个研发目标就是把石墨烯用做透明导电膜的触摸面板。另外三星还计划于2012年推出配备有该石墨烯制触摸面板的便携终端。
三星曾于2010年6月宣布与韩国成均馆大学（SungkyunkwanUniversity）共同制作出了30英寸（对角线约76cm）的石墨烯片。这一消息令全球震惊。这是因为实现数十cm对角线大小的石墨烯片一直是人们的梦想。此前制出的最大石墨烯片最大仅能达到对角线为数mm～1cm（韩国曾实现了数cm对角线大小）。相当于10平方公里大小的食品保鲜膜
这个巨大石墨烯片的制作方法在某种意义上类似于诺沃肖洛夫所采用的使用粘着胶带的“机械式剥离法”。机械式剥离法是先把粘着胶带（最初使用了Scotch胶带，后来使用的是日本的日东胶带）贴在石墨上，然后通过揭下胶带把石墨烯转印到胶带上。成均馆大学等开发出的方法是采用卷对卷的方式把以CVD法制备于铜（Cu）箔上的石墨烯片转印到大型树脂片上。
有许多研究人员和技术人员对这一方法持半信半疑态度。这是因为“假设石墨烯是厚度为10μm的食品用保鲜膜，采用这个方法就相当于要把10km见方的保险膜完好无损地粘贴下来”（某研究人员）。
不过，如果我们不要求像晶体管一样的质量的话，在触摸面板用途中轻微的褶皱和破损可能并不会造成很大影响。或许可以说正是因为触摸面板需要满足的条件较低，才使得触摸面板成为首个开发目标。
当然，在将石墨烯用于触摸面板用途方面还存在几个课题。一是导电性的确保和掺杂（Doping）的稳定性。如果能够制备出完全没有缺陷的单层石墨烯片，那么光透过率将达到97％以上，几乎呈透明状态，同时还可实现高柔性触摸面板。然而由于纯净石墨烯的载流子迁移率较高，但同时载流子密度却非常小，因此由两者乘积所决定的导电率未必较高。为了解决这一问题，需要掺入提供电子和孔洞的杂质，也就是说需要进行掺杂加工。
成均馆大学和三星等开发出的巨大石墨烯片由于最初的掺杂物（Dopant）随着时间的流逝会逐渐消失等，因此导电率的不稳定成为课题。这一课题将在今后的研究开发中予以解决。
日本产综研等在制造方法开发方面奋起直追
在用于触摸面板的石墨烯开发方面，日本产业技术综合研究所也正在试制A4尺寸大小的石墨烯片和触摸面板。其最大优点在于与成均馆大学的方法相比能够在较低温度下制备出石墨烯片，能够采用卷对卷方式进行包括CVD在内的全部工序。谁将率先实现触摸面板的投产？这一问题最快会在未来的1～2年内得到解答。