新方法讓石墨烯與硅基技術(shù)“聯(lián)姻”

　　石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的二維晶體，只有一層碳原子的厚度，是迄今最薄也最堅硬的材料，其導電、導熱性能超強，遠遠超過硅和其他傳統(tǒng)的半導體材料?？茖W家們認為，石墨烯有望徹底變革材料科學領(lǐng)域，未來或能取代硅成為電子元件材料，廣泛應(yīng)用于超級計算機、柔性觸摸屏、環(huán)保和醫(yī)療設(shè)備、光子傳感器以及有機太陽能電池等諸多領(lǐng)域。

　　但石墨烯征服硅谷之路面臨的主要障礙是成功地將石墨烯整合到成熟的金屬—硅化物技術(shù)內(nèi)?，F(xiàn)在，來自維也納大學、德國和俄羅斯的研究人員成功地構(gòu)建出一種新奇且高質(zhì)量的處于一層石墨烯保護和覆蓋下的金屬硅化物結(jié)構(gòu)。

　　為了揭示這一新結(jié)構(gòu)的基本屬性，科學家們采用了基于愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)而研制的角分辨光電子能譜儀（ARPES）。當一個光粒子同一種材料相互作用時，它能將所有能量傳遞給材料內(nèi)的一個電子。如果光粒子的能量足夠大，電子獲取的能量就足以讓它從物質(zhì)中逃逸。ARPES使科學家們能通過確定電子逃離物質(zhì)的角度，提取這種材料的電子屬性等相關(guān)信息。

　　該研究的合作者、奧地利維也納大學材料學研究所電子屬性研究中心的亞歷山大·格魯雷斯和尼克雷·沃比提斯基表示：“單原子厚度的石墨烯層以及由其制成的混合材料使我們能借用ARPES研究很多新奇的電子現(xiàn)象?！?/p>

　　借用ARPES，科學家們發(fā)現(xiàn)，這種石墨烯覆蓋的硅化物不會被氧化，所以，其可以用于很多電子材料和設(shè)備中。最重要的是，石墨烯層幾乎不同其覆蓋的硅化物發(fā)生反應(yīng)，這就讓其屬性得以保存完好。這種石墨烯-硅化物有望廣泛應(yīng)用于半導體、自旋電子、光伏以及熱電設(shè)備中。

　　石墨烯產(chǎn)業(yè)有望形成萬億產(chǎn)值

　　石墨烯，2004年首次從石墨中分離得出，是目前世界上已知的最薄的材料，幾乎完全透明，具有良好的導熱、導電性能。

　　為推動石墨烯產(chǎn)業(yè)化，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟日前在京成立。該聯(lián)盟由清華大學、中科院金屬研究所、北京現(xiàn)代華清材料科技發(fā)展中心等核心單位發(fā)起，聯(lián)合國內(nèi)從事石墨烯研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化的22家法人機構(gòu)。聯(lián)盟成員包括6所高校、4家中科院研究所、17家企業(yè)，基本囊括了國內(nèi)石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的主流單位。

　　或撬動萬億市場

　　作為一種新型的納米材料，石墨烯以其獨特的結(jié)構(gòu)、力學和電子性質(zhì)，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。它是目前人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。

　　分析認為，首先，石墨烯如果取代硅，有望讓計算機處理器的運行速度快數(shù)百倍。其次，石墨烯有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件。再其次，石墨烯可以推動超級電容器發(fā)展，使得同等體積的電容擴充5倍以上的容量。此外，石墨烯加入鋰電池電極中能夠大幅提高導電性能。石墨烯因其超出鋼鐵數(shù)十倍的強度，也有望被用于制造紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣和“太空電梯”的纜線，在這些領(lǐng)域?qū)⒁l(fā)革命性的突破。

　　作為一種技術(shù)含量極高的碳材料，石墨烯在半導體、光伏、鋰電池、航天、軍工、LED、觸控屏等領(lǐng)域都將帶來一次材料革命。由于售價高昂，石墨烯目前尚未產(chǎn)業(yè)化。有分析認為，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化其產(chǎn)值至少在萬億以上。

　　中國產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯

　　中國具有發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)得天獨厚的條件。數(shù)據(jù)顯示，我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%，生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，是我國少有的幾種具有國際競爭優(yōu)勢的礦產(chǎn)之一。

　　論壇上，各科研單位專家和企業(yè)代表認為，石墨烯在我國的應(yīng)用前景十分廣闊，現(xiàn)在行業(yè)正處于從技術(shù)向商業(yè)演變的關(guān)鍵時期。但從實際情況來看，成本和工藝問題的存在使得石墨烯短期內(nèi)無法形成真正的商業(yè)規(guī)模，在應(yīng)用領(lǐng)域來看，鋰電池和環(huán)保涂層材料有望是國內(nèi)石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域未來的一大突破口。

　　石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝，目前業(yè)內(nèi)主要有四種制備方法，分別是機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法（CVD）。前三種的原材料均為石墨，CVD法原材料則為甲烷居多。由于制造成本相對較低，目前業(yè)內(nèi)多采用機械剝離法和氧化石墨還原法制造石墨烯。

　　中科院寧波材料所石墨烯研究團隊研究員周旭峰表示，目前國內(nèi)對石墨烯的應(yīng)用前景頗為看好，多個領(lǐng)域都準備躍躍欲試。但從實際情況來看，制造工藝不穩(wěn)定和成本居高不下，仍是石墨烯走向產(chǎn)業(yè)化最需要解決的問題，從制造工藝來看，目前業(yè)內(nèi)的四種方法均有各自的優(yōu)勢和缺陷，產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑仍在探討之中。周旭峰認為，由于產(chǎn)業(yè)鏈相對較短，環(huán)保和儲能領(lǐng)域有望成為率先實現(xiàn)石墨烯商用。

　　在相關(guān)政策扶持方面，工信部原材料司副司長高云虎表示，在編制新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的時候，石墨烯還沒有目前這樣熱門，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景也并不明朗，因此在規(guī)劃文本、產(chǎn)品目錄中沒有把石墨烯作為主要重點，但隨著技術(shù)和應(yīng)用的突破，下一步會統(tǒng)籌研究并予以考慮。

　　產(chǎn)業(yè)化難題待破

　　業(yè)內(nèi)專家指出，石墨烯目前整體主要還處在研發(fā)階段，制備石墨烯的技術(shù)工藝還不太成熟，而且成品面積相對較小，不能適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用。各國對于這個新興材料還處于一個專利布局期，整個產(chǎn)業(yè)鏈也還沒有形成。我國在石墨烯基礎(chǔ)研究方面已經(jīng)十分突出。

　　有關(guān)研究顯示，截至2012年底，我國發(fā)表的石墨烯論文數(shù)量已經(jīng)超過美國，名列世界首位，而且部分團隊的研究成果受到了世界各國的高度重視，被引用達數(shù)千次之多。飛速發(fā)展的還有我國的石墨烯專利數(shù)量，無論從專利受理數(shù)量，還是優(yōu)先權(quán)專利數(shù)量來看，我國都是僅次于美國的世界第二大國。這意味著，一方面我國企業(yè)高度重視石墨烯技術(shù)開發(fā)并積極申請專利保護，另一方面也表明世界其他國家對我國石墨烯市場相當關(guān)注。

　　然而，在石墨烯產(chǎn)業(yè)化道路上存在諸多現(xiàn)實問題，一方面尚未具備規(guī)模化生產(chǎn)能力，產(chǎn)品成本高；另一方面石墨烯還未真正形成下游的應(yīng)用和需求。因此現(xiàn)在既要盡可能降低成本實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，又要盡快在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上實現(xiàn)突破。目前進行石墨烯研究的主要是高校院所等研究單位和少數(shù)中小企業(yè)，研究力量比較分散，要盡快實現(xiàn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化，必須通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)學研協(xié)作，建立一條完整的涵蓋石墨烯研發(fā)、規(guī)?；聿母珊怠⑾掠螒?yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的技術(shù)路線和公共科技服務(wù)平臺和測試平臺，通過全行業(yè)的共同努力，共同突破關(guān)鍵的技術(shù)難題以及在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，并不斷提高技術(shù)水平和管理水平。

　　石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的組建宗旨是為了整合協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)資源；以推進低成本石墨烯及裝備的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)化為目標，建立上下游、產(chǎn)學研信息、知識產(chǎn)權(quán)等資源共享機制；建立與政府溝通的渠道及人才培養(yǎng)、國際合作的平臺；推動標準、評價、質(zhì)量檢測體系的建立，促進成員單位的自身發(fā)展，提升低成本石墨烯的整體競爭力，從而達到推動石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目的。

　　石墨烯作為ITO導電膜的替代性材料曾被觸摸屏行業(yè)高度關(guān)注。石墨烯技術(shù)可以使得顯示屏具有柔性，但由于手機等智能終端的產(chǎn)業(yè)鏈太長，產(chǎn)品的成形需要電路板、機身材料等整個供應(yīng)鏈的配合。理論上講這些東西在實驗室內(nèi)已經(jīng)可以實現(xiàn)，但要商用還需要一定的時間，不僅因為成本離譜，良率問題也很不樂觀。業(yè)內(nèi)人士表示，三星電子前期在這方面投入了大量的研發(fā)資源，原計劃在今年要推出一款類似的概念。

　　石墨烯離產(chǎn)業(yè)化還有多遠？

　　“一年之前，我不敢說我的單層石墨烯已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)，但現(xiàn)在敢說了。”上海交通大學郭守武教授在臺下對記者如是說。

　　就在之前半小時，郭教授團隊實驗成果在臺上展示PPT時，受到了臺下企業(yè)界的追問，“我要5公斤，你能給我嗎？”“簽了合同，幾天就能給你。”“價格多少？”“我成本是0.5元/克，但這是郭老師幾年心血，他肯定不會以這個價賣給你?！?/p>

　　在國際上，單層石墨烯售價是2000元/克。

　　同樣是石墨烯制備者，中科院寧波材料所劉兆平受到同行的追問，“你9塊錢太貴了，你能做到1元/克嗎？”“當然可以?！薄耙粌擅X呢？”“這是商業(yè)秘密?！?/p>

　　劉兆平團隊多層石墨烯（比單層制備更容易，成本更低）技術(shù)已經(jīng)賣給了華南家族控股股東南江集團的兄弟單位。據(jù)悉，該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目預(yù)計于11月投產(chǎn)，是全球首條30噸石墨烯生產(chǎn)線。

　　當記者問及該項目產(chǎn)業(yè)化前景，劉兆平稱“關(guān)鍵看下游?！?/p>

　　中科院金屬所與金路集團（000510）簽訂了技術(shù)合作協(xié)議。該項目負責人任文才告訴記者，去年該項目已經(jīng)完成了中試，隨時可以工業(yè)化，“關(guān)鍵看下游市場?！?/p>

　　石墨烯下游應(yīng)用廣泛，如鋰電池、涂料、LED等。下游應(yīng)用市場若沒有成熟，制備就難以量產(chǎn)。一家深圳公司2010年就開始賣石墨烯，但苦于應(yīng)用市場沒有起來，銷量一直做不起來。

　　不過，石墨烯下游應(yīng)用在部分領(lǐng)域可能率先突破。南京科孚納米技術(shù)有限公司蕭小月總經(jīng)理透露，一位做散熱復合材料的海外客戶已經(jīng)提出計劃，希望逐月實現(xiàn)每月四噸的供貨需求。

　　劉兆平認為，鋰電池、LED將有望成為國內(nèi)最先利用石墨烯的下游行業(yè)。

　　不過，北京一企業(yè)試用了多家科研單位試驗室石墨烯產(chǎn)品，他認為，上游石墨烯品質(zhì)并不穩(wěn)定。

　　石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈雖然沒有成熟，但投資熱潮已經(jīng)顯現(xiàn)，劉兆平作為較早掌握該技術(shù)的科研人員對此感觸很深，他用“太狂熱了”來形容。

　　金路集團（000510）：公司與中科院金屬研究所聯(lián)合開發(fā)電池級石墨烯技術(shù)已于2012年11月11日對共同完成的“石墨烯材料的規(guī)模化制備技術(shù)”通過了成果鑒定。公司截止2012年12月31日，共計投入資金600余萬元，獲得財政補助1300余萬元。另外，公司在研石墨烯透明導電薄膜、石墨烯基三位網(wǎng)絡(luò)散熱材料、石墨烯基動力電池項目。

　　樂通股份（002319）：2013年1月，公司與寧波墨西簽署了《石墨烯油墨項目合作協(xié)議》，商定組建合資公司從事石墨烯油墨的研發(fā)和生產(chǎn)，計劃總投資1億元人民幣，合資公司的注冊資金為3000萬元人民幣，公司以現(xiàn)金出資人民幣2400萬元（占80%股權(quán)）；乙方以石墨烯油墨的相關(guān)技術(shù)作價出資600萬元（占20%股權(quán)）。寧波墨西承諾將以最優(yōu)惠的價格向合資公司穩(wěn)定提供石墨烯原料，雙方將利用自身的營銷網(wǎng)絡(luò)幫助合資公司推廣石墨烯油墨產(chǎn)品。

　　方大炭素（600516）：公司將建成全球最大的特種石墨生產(chǎn)基地，針狀焦及超高功率石墨電極的綜合產(chǎn)能也將位居全球炭素企業(yè)首位。2013年5月，公司收到了國家知識產(chǎn)權(quán)局對“以石灰石為原料制備石墨烯的方法”授予的發(fā)明專利權(quán)通知書。

　　華麗家族（600503）：2012年7月，公司披露控股股東南江集團及皙哲投資、中科院寧波材料所、劉兆平研發(fā)團隊于2012年4月組建寧波墨西科技有限公司，該公司投建的世界上第一條量產(chǎn)石墨烯生產(chǎn)線預(yù)計將于2013年建成投產(chǎn)。石墨烯屬于高科技新材料，石墨烯產(chǎn)品的成熟并走向產(chǎn)業(yè)化還需后續(xù)大量的研發(fā)和投入。而南江集團暫無將石墨烯項目轉(zhuǎn)讓或指定給上市公司的計劃。

　　中國寶安（000009）：預(yù)計公司2013、2014的每股收益分別0.18元、0.22元、對應(yīng)當前股價的市盈率分別為55、45倍，但未來看好公司在鋰電池材料的布局特別是上游礦產(chǎn)的開拓以及新能源汽車的推廣，維持公司“買入”評級，維持公司股價的2013年12塊，2014年14塊的目標。

　　風險提示：原材料價格波動成本上漲風險，鋰電行業(yè)產(chǎn)能過剩風險，鋰電項目進展不及預(yù)期風險，新能源汽車推廣速度低于預(yù)期風險，人民幣匯率走高風險