从富勒烯到石墨烯

dasa

如果材料本身有意识，所有的材料一定都嫉妒石墨烯。这家伙红得发紫，是当下材料领域最耀眼的明星。

. l: C3 y+ O* K( \' {/ m. m" {细想下来，我在材料科学这个领域居然混了将近20年了。96年是国家863成果10周年成果展览，想起当时的盛况，恍如昨日。
如果说那一年最耀眼的材料明星是谁，当之无愧的是富勒烯。

不知道是偶然还是必然，20年，人们对功能材料的最前沿的探索居然都集中在碳这个最常见的家伙身上。这2个家伙的境遇和经历有着惊人的相似。都是单质碳的不同表现形式；都是诺奖的成果；都是集万千宠爱与一身。不同的是，富勒烯的结构在自然界不存在，是人用高的能量制备出来的，成为碳在自然界的第三种存在形式；石墨烯的结构本来就有，只不过是将石墨的片层结构进一步分离到单层结构而已。
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* f# F" G5 ~6 o1 Z6 j# K8 y更加诡异的是，这2个东西居然都被人们寄予数不清的期望：储能，超导，光电，信息存储，从新能源到生物医药，其跨界之大简直无出其右，似乎这个东西可以解决人类所有的问题。
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7 x! Y/ V, {5 {富勒烯从问世以来，研究其合成，改性和应用的论文汗牛充栋。到今天，以富勒烯为基础的应用成果在哪里？环顾四周，我们茫然不知。
) {4 `. C% M5 D6 O# Z' V+ z. g石墨烯的今天，与富勒烯何其相似乃尔！
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目前最靠谱的似乎是在新型的电池中，更确切的说实在新型超级电容器中的应用研究。但是，似乎人们或有意或无意的都回避了一个问题，石墨烯的批量制造问题。这个与纳米材料的状况很接近。石墨烯的很多特别性能都是建立在其单层结构上。但是批量获得一个原子厚度的石墨单层在未来的几年我看不到希望。最终很可能走向这样的结果：像当年的纳米材料一样，我们对石墨烯的制造会渐渐沦为比较薄的石墨片状结构，至于到底是单层还是几十层或者更多，天知道！（纳米材料的批量制造技术就是如此，我们很快就将纳米材料的制造技术降低到如何将尺寸做到100纳米下，至于纳米材料最基本的要求，即对其微观结构的排列，谁去管他！）不得不承认，我们在对新兴技术的庸俗化方面的本事的确不小。

5 Y) C* [  _1 F4 C' _% O2 p国内的对新技术的理解和开发，速度惊人。但是有时候一些问题不由得让人担心。
江苏已经出现了一大批用石墨烯为名头的企业。我都不知道在石墨烯的批量制造还没有影子的情况下，他们拿什么去销售。但是，人家就是有本事每年将石墨烯销售了几千万甚至更多。据说主要用于LED的散热。用脚趾头也能想得到，他们的所谓的石墨烯其实就是石墨（这个东西本来即使片状结构，本来就可以导热和导电）。无非是利用一个噱头增加销售，获得国家经费支持。这种做法对石墨烯的未来开发到底是好是坏，目前不得而知。好处是，企业用这种方法是石墨烯在市场推广方面先混一个脸熟，真的技术突破了，大家只会惊喜大大的。也就是赚足了吆喝，造足了声势，降低了未来的市场接受难度。坏处就是怕一群混蛋搅浑了一池春水，坏了名声。以后即使真的有了好的石墨烯技术，在资本市场和产品市场也没那么吸引眼球了。那样的话，对那些辛辛苦苦从事石墨烯的开发的机构来说，绝对是灾难。
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- j  X# O8 w& o: ^4 E  s我暗自祈祷（尽管我不知道向谁祈祷，我不信任何神），石墨烯不要走了富勒烯的老路。

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史老柒

井木犴 发表于 2016-1-16 02:58
都是炒作，背后都是利益。。。

但是很多炒作已经影响到了工业的正常发展。
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  v  |9 |6 t& n# g比如贵金属炒作，马蛋你炒作黄金铂金我也就忍了，钯金铑金你也拿来打首饰？
那我们的加氢催化剂钯碳，铑碳怎么办？
有段时间本来应该用钯碳的加氢反应，都改成了兰尼镍。

再比如当年最成功的铟的营销炒作案例，铟属于标准的贱金属，有的是，生生炒作成了贵金属。肥了一群人，但更多人血本无归。

( m% c; k7 _  O+ c* l9 y再比如现在炒作的环保理念，已经严重影响了中国的国策级工业大布局，有污染要治理，但因噎废食去工业化是要不得的。
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$ g# i3 s* e/ @  a- d3 E; N( W资本家攫取利益天经地义，但要有底线。

井木犴

都是炒作，背后都是利益。。。

冰蚁

awer 发表于 2016-1-15 06:47
* C6 j! }: d& w$ r) c2 e8 G多谢冰蚁解惑，对石墨烯在半导体上的应用知之甚少，半导体行业发展这么久，那么多成熟的工艺，石墨烯器件 ...

最最大的优点就是薄啊。在FET里, channel 只有一层，或者两层原子。gate 能对 channel 有非常好的控制，削弱一些FET尺寸缩小后带来的FET电性能下降的效应。

其次是电子迁移率。不过这个高迁移率是在带宽为0时候才有。如果人为调出个带宽来，迁移率还是要降的。是个有点 tricky 的优势。

awer

冰蚁 发表于 2016-1-15 00:32
电子产品这个东西有时候技术成熟也没用。比如半导体里的硅芯片两大技术方向，一个是 bulk Si，一个是 SOI ...

多谢冰蚁解惑，对石墨烯在半导体上的应用知之甚少，半导体行业发展这么久，那么多成熟的工艺，石墨烯器件没有特别突出或者不可取代的优势是不可能商业化的。graphene FET 有什么突出的优点吗？

冰蚁

awer 发表于 2016-1-14 00:42
7 f: V! b- F8 q' }7 @. i+ _1 还是看不懂你的逻辑，我梳理一下你看一下是否清楚

石墨烯作为商业化产品，包含几个前提条件， a 石墨 ...

电子产品这个东西有时候技术成熟也没用。比如半导体里的硅芯片两大技术方向，一个是 bulk Si，一个是 SOI。SOI的技术不可谓不成熟，而且比起 bulk Si 也有技术优势，但是一直就没有占领 digital chip 的主流。以前的原因主要就是价格因素。SOI wafer 比 bulk Si wafer 贵。现在发展到 FINFET 时代，价格上其实已经没有影响了，甚至SOI wafer更便宜了--- mask level 还少（更省钱），但是由于主流厂家的芯片 IP 都是建立在 bulk Si 技术上的，从Bulk 转到 SOI 会让芯片公司花上一大笔钱，大家都不愿意干。结果 SOI 技术在 digital chip 方面只能被排除在主流之外。但是呢，SOI 在 RF chip 里站住了脚。

; x: ?5 Z& {$ X" m5 T- y( M6 I5 h我看 graphene FET 现在也有点这个意思，且不说 graphene 本身的一些问题。单说现在搞的 GFET的 gate 都是在 graphene 下面的 （避免了 graphene 和硅的接触）。而传统硅设计， gate 都是在上面的。这个如果应用了，芯片电路怎么改也得费思量，这里面的 IP 绝对会是个大问题。

awer

dasa 发表于 2016-1-14 11:39
9 s- ?9 l2 |, x$ Q, A# o% ^兄弟，我简单说一下我的看法。不一定对，仅供参考。
首先，我没做过CVD制备石墨烯的工作。
其次，我了解 ...

1 r0 {& [- y1 k, b* f
7 o3 z- o0 G, v% T9 i; P+ g% C1 还是看不懂你的逻辑，我梳理一下你看一下是否清楚
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石墨烯作为商业化产品，包含几个前提条件， a 石墨烯生长和转移， b成本，c质量控制 d 其它。那么我们可以从石墨烯的商业化推出 几个前提条件都已经解决，主流产品的出现是以上几个问题解决的充分条件，但是主流产品没出现并不能推出以上任何一个条件没法解决。
! h7 [, S8 a$ v3 X2 对于一个很小的单层石墨烯和一块很大的单层石墨烯，其比表面积难道不是一样的么？ 好像是2630平方米/g? 按你的推论，石墨烯大概多少尺寸就不稳定了 ？ 什么尺寸就成本很高了？ 请给个估算量级可以么

3 CVD法（铜箔法） 是在很薄的铜箔表面析出一层石墨层，其石墨层厚度由铜箔厚度决定（大概是这样），其在另外一个维度上的生长很难进行吧。所以我不理解你的解释

枫叶中原

突然想到手机的石墨散热图层，不过就是一个概念
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$ o( O6 X2 `+ M% K& e石墨烯 富勒烯  XX烯，只要我们需要这个噱头，怎么都行。。

dasa

awer 发表于 2016-1-14 09:58
另外请问一下，你做过CVD石墨烯并转移过么？

4 }3 e1 |2 `1 j+ W, y% c% U& W还有，我给你一个建议。
评价一个技术（不是科学）的成熟度和可靠性，最好不要依赖于论文，专利以及新闻报道。这些东西在行内都属于参考信息，不能完全做准。
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# x; m9 j" C& N5 r: a, ]技术和产品的稳定存在和发展，是体现在应用层面。用户和市场的检验时最具有说服力的。
我看过很多人，和我争论某某技术的前景。依据都是上述资料。最离谱的是根据被投资者提供的技术可行性分析。没有哪个被投资人在融资的时候会说自己的技术不成熟。拿这个说事，属于揣着明白装糊涂，或者是真的糊涂蛋。

$ D+ n" t/ a  T( d判断力事非常重要的能力，不是每个人都 具备。要培养这种能力，也不是一朝一夕之功。
, @% Q2 h% Q: g$ ?很多人一张嘴，就知道他的信息来源是一手，还是二手；是商业报道，还是科技论文。

dasa

awer 发表于 2016-1-14 09:58
$ d& r2 A6 K+ U2 T9 [: M  r: o另外请问一下，你做过CVD石墨烯并转移过么？

4 k! K& j/ q3 ~" s3 Q兄弟，我简单说一下我的看法。不一定对，仅供参考。
6 O3 J- W5 x& }/ W3 e6 {! L首先，我没做过CVD制备石墨烯的工作。
其次，我了解这个方法的原理和缺点。
我是从常识和逻辑以及化学原理的角度去分析这个事情。

按照逻辑分析，石墨烯的单晶（暂时用这个词，觉得有点别扭）生长和转移如果恨容易（你的说法），那么它的的成本就会迅速下降，品质控制也不会出现问题。如果这个前提成立，那么石墨烯作为新一代透明导电材料，至少可以部分替代现有的ITO，进入下游产品。作为结果，我们在市面上就会看到类似的产品。技术不是主流产品，也是某个先锋型号或者是概念机。可是，我们没有看到产品，就意味着上述条件均不成立，抑制倒推到初始条件，即生长和转移不是一件容易的事情。
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* Z" s% R# a/ a: g! c% ?& w8 P; J) F化学原理和常识告诉我们，尺寸变小意味着比表面积变大，表面能增加。稳定性酒会下降。
( M9 d) t& p: A2 [2 l% N% e/ a将稳定性很低，表面能很高的材料要独立存在，是热力学极度困难的事情。因为物质有自然降低自身体系能量的趋势以求得稳定存在。

最后再说一点专业上的东西。
7 y( n+ ^1 b: R4 _你觉得石墨烯的单晶生长不会比单晶硅的生长更困难。这是有问题的。
再晶体生长中，单晶硅的生长属于自然结晶。就是说，只要控制好结晶条件，原料自然就会按照固定排列堆积起来称为单晶。二我们要做的无非是控制好条件，尽可能避免干扰导致缺陷，错位等影响单晶品质的因素。
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石墨烯是二维晶体。这个东西在单晶生长中叫做受控结晶。就是说要按照人的意志，只能想两个维度展开，不能想第三个维度堆积。这个其实是违反结晶的热力学和动力学的。所以受控生长是有难度的。

" L. E- n/ ^2 m$ y' j4 p& e在人工晶体生长中，有一门技术叫做择优取向生长。就是利用晶体对称性的差异，在某一个维度的堆积速度可以大大超过其他维度，于是就会形成所谓的择优取向。在宏观上，就可以获得一维的晶体棒，二维的晶体片。但是这个其实都是伪一维和伪二维。因为在微观上还是多层原子堆积。只是厚度不同。
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石墨烯的苛刻在于，要求在其中一个维度不做生长。却要在其他2个维度做大面积无缺陷展开。所以相当困难。
& V. j! {6 Y5 l( P不是不可以，是比较难。
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awer

awer 发表于 2016-1-14 09:57
# H* i  g+ e- [7 x6 W5 t# e/ z也可能是产品没优势（价格，品控），很多研究组都在做这个，所以你说的“将单原子层大宏观面积尺寸的薄膜 ...

另外请问一下，你做过CVD石墨烯并转移过么？

awer

awer 发表于 2016-1-13 16:25
http://jsnews.jschina.com.cn/system/2013/05/16/017279305.shtml
3 z1 ]  u, g8 X6 ~4 z
你能评价一下这个新闻么？ ...

. [% v3 ?5 e- Y6 Q4 F也可能是产品没优势（价格，品控），很多研究组都在做这个，所以你说的“将单原子层大宏观面积尺寸的薄膜进行转移二不破坏时意见多么困难的事情”，我觉得可能不成立。我不是做石墨烯的，你的简单逻辑我真理解不了。

原来我不帅

这个帖子真涨姿势啊，差点被洗脑

awer

dasa 发表于 2016-1-12 15:25
& C, w" T) [+ {2 O* G批量生产和理论上可行事完全不同的2个概念。
稍微想一下就知道，将单原子层大宏观面积尺寸的薄膜进行转移 ...

http://www.gkzhan.com/news/Detail/60475.html

好像也不难，我觉得比长单晶硅简单多了，只是如果在半导体上行业没什么用，这种单晶也没多大用

awer

冰蚁 发表于 2016-1-12 20:57
, s, @# p% U3 ?( p. i  i& h有好处有前途，即使开始问题多多也会逐步解决。石墨烯和硅无法有效结合的事实，导致这种晶圆尺寸的研发毫 ...

4 V& F" W" L2 s* e
, N' n1 s8 M% \# ~1 f" E' b科大的那个石墨烯透质子然后做质子交换膜的技术你了解么？有没有应用前景呢？

awer

dasa 发表于 2016-1-12 15:25
批量生产和理论上可行事完全不同的2个概念。
稍微想一下就知道，将单原子层大宏观面积尺寸的薄膜进行转移 ...

http://jsnews.jschina.com.cn/system/2013/05/16/017279305.shtml

你能评价一下这个新闻么？

穿着裤衩裸奔

勤劳工作的猪 发表于 2015-12-22 21:00
8 x0 o# g0 t" x公司群里一帮女人在说京东上有众筹石墨烯的披肩

2 P9 f, p- {6 D1 m2 J+ s3 p  j如果真是石墨烯，那可是天下最锋利的刀，小风一吹。。。。

冰蚁

dasa 发表于 2016-1-12 02:25
* Q' ]* N& B; G+ A0 S批量生产和理论上可行事完全不同的2个概念。
稍微想一下就知道，将单原子层大宏观面积尺寸的薄膜进行转移 ...

" M( y: `$ J) K9 n4 O6 P& N有好处有前途，即使开始问题多多也会逐步解决。石墨烯和硅无法有效结合的事实，导致这种晶圆尺寸的研发毫无意义。三星搞出一个prototype后也就不干了。ibm 当初也是一堆人研究石墨烯，最后很多人都转方向了。

冰蚁

awer 发表于 2016-1-11 21:28
7 G5 I  z, e% v# ^" K+ u石墨烯单晶单层 （晶圆尺寸的）批量了之后成本不高吧

! u' J* J" `  Z# K  ]3 u) J- M讲成本，干不过塑料吧。所以石墨烯在这方面的用途有些尴尬。

dasa

awer 发表于 2016-1-12 10:31
" z8 j: F- k( E1 gCVD法石墨烯，单个无缺陷石墨烯晶片尺寸达到晶圆那么大，这种可以转移啊 ...

批量生产和理论上可行事完全不同的2个概念。
稍微想一下就知道，将单原子层大宏观面积尺寸的薄膜进行转移二不破坏时意见多么困难的事情。至少我这个脑袋还想不出神噩梦特别好的方案。三星的那个卷对卷的工艺已经证明问题多多，很难使用。
+ z3 T3 m7 [: {; N7 u$ [5 j$ a- k1 I
$ i/ y0 `$ l6 Y; R' I' s* Z% Q冰MM有一件事时说对了，就是石墨烯应该尽可能以所谓单晶形式存在。也就是单质碳的结晶在二维平面尽可能大的无缺陷生长。这个迄今为止没有特别好的方法的。实验室可以一块块的长出来，但是很难控制尺寸和规整程度。所以，在固体化学领域有一句大家都认可的玩笑：固体化学是艺术，不是科学。