グラフェンの特性、用途、開発状況の分析

最近、中国グラフェン標準化フォーラムは、世界初の商用グラフェンフェムト秒ファイバーレーザーをリリースしました。この製品は、グラフェンの大規模な低コスト転送およびグラフェンとライトフィールド強度との相互作用の主要な技術的問題を解決します。しばらくの間、グラフェンはレーザー技術の分野で大きな注目を集めてきました。

2004年、ロシア生まれの2人の英国の科学者が、グラフェンをグラファイトから分離することに成功しました。グラフェンは、世界で最高品質の素材を組み合わせています。グラフェンは間違いなく、過去10年間、さらには数十年のすべての「スター」の中で最も眩しいものです。 20世紀がシリコンの世紀である場合、魔法のグラフェンは21世紀の新素材の最愛の人です。

それは10年未満の間発見されていませんが、グラフェンは科学および産業界で一連の混乱を引き起こしています。人々の理解が徐々に明らかになるにつれ、その神秘的なベールは当初と同じように明らかになりました。薄くて硬く、透明度が高く、熱伝導率が高く、電気伝導率が高く、構造が安定しており、電子の移動速度が速いことが観察できます。室温での量子ホール効果。

仮説から現実へ

グラフェンの発見は、多くの「記録」を作成するため重要です。

グラフェンは、黒鉛、木炭、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの炭素同素体を構成する基本単位材料であり、二次元結晶です。

グラフェンの構造は常に理論上のみ存在すると考えられており、単独で安定して存在することはできません。 2004年まで、英国の物理学者AndreHeimとKonstantinNovoselovは、グラフェンをグラファイトから分離することに成功し、それが単独で存在できることを確認しました。

最初に、科学者はグラファイトからグラファイトシートをはがし、次にシートの両面を特別なテープに接着しました。テープを剥がしてグラファイトシートを2つに分けた。繰り返しの操作により、グラファイトシートはますます薄くなります。最後に、彼らはグラフェンである炭素原子の1つの層だけからなるシートを得ました。

「二次元グラフェン材料の創造的実験」により、2人の科学者は共同で2010年のノーベル物理学賞を受賞しました。

グラフェンの発見は、多くの「記録」を生み出すため重要です。

グラフェンは世界で最も薄い材料です。

グラファイトの厚さはわずか0.34ナノメートルで、グラフェンの100,000層の厚さは、肉眼では見えない髪の毛の直径とほぼ同じです。中国科学院の重慶研究所のマイクロナノ製造およびシステム統合研究センターの副所長であるHaofeiShiは、中国科学院のジャーナルとのインタビューでこれを説明しました。

グラフェンは、人間に知られている最も強力な物質です。

ダイヤモンドよりも硬く、世界最高の鋼の100倍の強度があります。

コロンビア大学の物理学者は、ダイヤモンド製のプローブを使用してグラフェンの耐性をテストしました。グラフェンサンプルの粒子が破壊される前に100ナノメートルあたりに耐えることができる最大圧力は2.9micro-Nに達し始めました。つまり、グラフェンで作ったバッグを作れば、約2トンのアイテムに耐えることができます。

グラフェンの抵抗率は非常に低く、電子の移動は非常に高速です。

グラフェンでは、電子は非常に効率的に移動でき、移動速度は光速の3分の1に過ぎず、シリコンや銅などの従来の半導体や導体よりもはるかに高速です。

電子機器はグラフェンの内部に質量がないようで、移動速度は非常に速いです。中国科学技術大学のChangyuZeng教授は、枯渇しない電子エネルギーの特性により、この材料は並外れた特性を持っていると述べました。

この材料のもう1つの特徴は、材料科学者を驚かせることです。材料はほぼ完全に透明で、光の透過率は97％を超えています。

2012年、IBM USAは、グラフェンウェーハで作られた最初の集積回路の開発に成功しました。これにより、グラフェンの特殊な電気的特性がアプリケーションの展望を示しました。中国科学アカデミーの学者であるHongjunGao氏は、「グラフェン材料は優れた電気的特性を備えており、次世代の高性能電子デバイスの製造に使用されることが期待されています」と述べています。

技術革命の指導

世界中で、グラフェンの研究と応用への熱狂は急増し続けています

グラフェンの神秘的で魔法のような特別な特性は、人々をその応用についての幻想でいっぱいにします。

中国では、グラフェンの応用研究が本格化しています。

中国はグラフェンの基礎研究と工業化の最前線にあり、多くの研究チームがグラフェンの性能研究と調製技術に飛躍的な進歩を遂げてきました。その中で、中国科学院のチョンチングリーンインテリジェントテクノロジー研究所のグラフェンフィルム調製技術は、2億1000万元の価格で移転され、研究者と開発者は動きたがっていました。

世界中で、グラフェンの研究と応用への熱狂は急増し続けています。

Cambridge Intellectual Property Corporationの統計によると、今年5月の時点で、合計9,218のグラフェン特許が承認され、世界中で出願されており、特許出願の数は過去5年間で4倍に増加しています。 2004年以降、グラファイトオレフィンの分野の研究論文は飛躍的に増加しています。これまでの論文総数は2万件を超え、2012年だけでも6,000件を超えました。

グラフェンのようなさまざまな分野で材料が広く使用されたことはありません。 Changyi Zengは、国内外で入手できる実際のグラフェン製品はありませんが、多くの「スター」材料に最も近い材料であると感じました。

超軽量ボディアーマー、超軽量変換効率レーザー兵器、超薄型超軽量航空機、超薄型折りたたみ式携帯電話、高強度航空宇宙材料、高性能エネルギー貯蔵およびセンサー、スーパーキャパシター、さらに想像力豊かな空間エレベーター、グラフェン材料に基づくますます多くの将来のデバイスが科学者の研究分野に参入しています。

その中で、透明電極の適用が最も魅力的です。グラフェンの優れた導電性と光透過特性により、透明導電性電極での非常に優れたアプリケーションの見通しが得られます。 Changjun Zeng氏は、現在、電子製品のタッチスクリーン、液晶ディスプレイ、有機太陽電池、有機発光ダイオードなどには、優れた透明導電性電極材料が必要であると述べています。

従来の導電性電極は、比較的脆く、比較的損傷しやすいインジウムスズ酸化物を使用しています。

対照的に、グラフェンは硬いだけでなく、性能も優れています。

「インジウムスズ酸化物の光通過率は比較的低く、グラフェンを使用すると、表示画面が明るくなります。」 Changjun Zeng氏は、透明電極にグラフェンを適用すると、電子機器のコストが大幅に削減され、エネルギー効率が高く、よりクリアになると述べました。 「10年、グラフェンは確かに透明電極で商品化することができます」。

光透過率の97％以上が透明電極の用途に変化をもたらし、ソーラー産業の高度化も可能にしています。

専門家によると、現在市場に出回っているソーラーパネルは基本的に多結晶シリコンであり、その光電変換率は約30％ですが、グラフェンソーラー技術の光電変換効率は既存のポリシリコンの2倍である60％と高いです。ソーラー技術。

最近、マサチューセッツ工科大学とアップルは、電子デバイスにエネルギーを供給する太陽電池としてのグラフェンの可能性に関する研究報告を発表しました。アップルは、電子機器でグラフェンの太陽エネルギーを運ぶ目的で特許を申請しました。バッテリーは解決策を提供します。

中国科学院の材料技術工学研究所の研究者であるZhaopingLiuは、中国科学院のジャーナルとのインタビューで、グラフェンマイクロチップはリチウムの活物質の粒子と2次元の導電性接触を形成できると述べました。 -イオン電池と電極内の3次元導電性ネットワークを構築すると、電池の全体的な性能を大幅に向上させることができます。

予備実験の結果、グラフェン導電剤を使用したコバルト酸リチウム電池の容量は3％を超え、放電容量は従来の電池に比べて72％から92％に増加しました。

画期的な準備技術

準備技術は、グラフェンが応用分野に参入し、工業化を実現するための障害の1つです。

国内外の科学者によるグラフェンのますます徹底的な研究にもかかわらず、それらの応用の結果は絶えず現れています。ただし、市場で入手可能な実際のグラフェン材料はほとんどありません。

調製技術は、グラフェンが応用分野に参入し、工業化を実現するための障害の1つです。高コストの準備技術がグラフェンの市場価格を押し上げ、その価格はかつて1グラムあたり5,000元に達しました。これは金の10倍以上です。

Hongjun Gaoは、昨年末に開催されたグラフェンのトピックについて、Xiangshan ScienceConferenceで率直に述べました。中国は、グラフェンの調製方法の研究分野で依然として大きな課題に直面しています。課題は主に、大面積で制御可能な不純物欠陥を備えた高品質の単結晶材料をどのように調製するか、および既存のシリコンベースのプロセス融合のグラフェン処理技術をどのように改善するかにあります。 「それにもかかわらず、中国の科学者は、グラフェン調製技術の開発において依然として大きな進歩を遂げています。 Zhaoping Liuは、グラフェンの工業的調製技術を開発するための長年の努力を通じて研究チームを率い、グラフェンの製造コストを1グラムあたり5,000元から3元に削減し、外国の顧客から直接多数の注文をもたらしました。

今年の初めに、中国科学院のChongqing Institute of Green and Intelligent Technologyは、15インチの単層グラフェンの準備を発表し、抵抗膜方式タッチスクリーンにグラフェン透明電極を適用して7インチを準備することに成功しました。グラフェンタッチスクリーン。

上記の2つの研究チームは、グラフェンマイクロチップとグラフェンフィルムをそれぞれ製造するために、上海南江グループと共同で専門のグラフェン製造会社を設立したことは言及する価値があります。

国立マイクロスケール材料科学研究所であるChangjunZengの研究チームは、異なるアプローチを採用しています。ガス状炭素源に基づく従来のグラフェン成長は、1000°Cから300°Cの高温を下げる必要があり、グラフェン化学蒸着の最低温度を作り出します。

グラフェン製造技術の進歩に伴い、工業生産の条件も成熟しており、グラフェンで作られた新製品は今後数年間で出現し続けると考えられている、とChangyuZeng氏は語った。

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