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石墨烯制备应用与产业发展——访中国科学院院士高鸿钧
作者:文 / 本刊记者 黄晓艳 摄影 / 秦传安 发表时间:2017年10月13日

 

  近年来,对石墨烯技术的研究备受重视,产业发展也轰轰烈烈,但在高质量大面积石墨烯的制备上,仍然存在着技术路径与方法上的瓶颈。传统方法得到的石墨烯应用产品差强人意。如果不解决高质量石墨烯材料制备的问题,其在未来信息技术发展中的应用势必会受到制约。

  针对高质量石墨烯材料研究的现状、制备方法创新、应用研究及开发、产业化瓶颈等关键性话题,本刊记者专访了高鸿钧院士。

  “未来石墨烯发展前景取决于产业应用,最大限度利用石墨烯特性研发高性价比产品将至关重要。我国选择差异化的竞争道路,从材料制备环节入手,势必会在世界范围内占据领先优势,迎来石墨烯产业发展的黄金时期。”

  寻求材料和制备方法的突破

  本刊记者:2017年,中国石墨烯产业发展是什么样的状况?

  高鸿钧:谈到2017年石墨烯产业发展,首先要了解石墨烯的背景,石墨烯自2004年正式面世到现在,不过才13年的时间,基础研究取得突破,产业应用获得发展。英国曼彻斯特大学的物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈·海姆采用剥离的方法,用胶带将块体石墨不断减薄,首次获得了单层碳原子晶体材料石墨烯,因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。整个过程中,一方面他们从基础研究方面找到了创制单原二维体系的方法,发现许多有意思的物理特性,发现二维体系具有很好的热学、力学、电学的物性。另一方面,在产业应用这块,显示了石墨烯具有潜在的应用前景和广泛应用的可能性。特别是2010年6月,三星电子与韩国成均馆大学利用CVD法开发出了可制备30英寸单层石墨烯膜制造工艺以及采用这种石墨烯膜的触摸面板。三星用石墨烯做出显示屏,对产业的推动作用是很大的。石墨烯从创制相关的技术研究到产业成果展示,时间并不长,正是因为技术和产业两方面相互作用和促进,使得单原子层二维晶体结构材料获得了诺奖。

  国内在推动石墨烯基础研究及其产业应用方面,起步还是比较困难的。从制备技术方面来说,解理石墨获得单晶石墨烯、集成石墨烯的方法很简单,同时还主要依靠经验。石墨烯体系本身简单,就是一个碳元素,制作过程也很简单。基于这种制作方法制备的石墨烯的相关物理性质会在较短的时间里做完。国内对石墨烯研究起步相对晚一点,虽说国内研究群体大、成果多,但突出性、原创性成果较少,再加上主要集中在基础研究,产业应用相对薄弱。如果国内只是跟踪来做,采用他人成熟的制备方法,是很难跟上的,更难获得重大创新和突破。其中有很多的经验教训,一些很强的国内研究团队用成熟的技术获得石墨烯,然后研究其性质,这是跟着别人的路走,不可能有创新成果。

  在石墨烯制备方法研究领域,当已有的制备方式存在着弱项和缺陷时,我们就需要想办法去克服弱点,找到一个创新的方法,并从原始思路上去探索、去发现新的问题及其解决方法。

  用石墨炭块做出的石墨烯单层或者是多层材料,首先质量并不高。从原子尺度看,高质量的炭块里用胶带撕下来的石墨烯里面有很多的杂质和缺陷,而杂质和缺陷对材料来说是很致命的问题。这就需要我们进行控制,控制单位面积里存在的缺陷,从而在未来信息技术的应用上能像控制集成芯片里单晶硅片的缺陷数量一样。另外,炭块解理的石墨烯不是单晶而是多晶的,这是其在未来电子器件中应用的瓶颈问题。我们需要像单晶硅那样的大面积,这就要在制备方法上进行创新,材料也需要创新,怎么做出大面积缺陷可控的材料,就要从材料和制备方法上寻求突破。我在不同场合多次谈到过,我国在石墨烯制备方法研究领域还面临较大挑战,需要在材料制备方法上寻求突破。

  本刊记者:请您分享你们研究团队在石墨烯及类石墨烯二维原子晶体材料的制备、物性与应用基础等方面开展的研究,及其取得的成果和实现的重大突破。

  高鸿钧:我国在石墨烯制备方法研究领域面临的挑战主要在于,如何制备大面积、杂质缺陷可控的高质量单晶材料,以及如何与现有硅基工艺融合石墨烯材料体系。这里面既涉及到非常基础的科学问题,也涉及到生长工艺问题,还体现在生长方法上。

  我们研究团队是国内最早做石墨烯研究的2个团队之一,与美国的一个研究团队同步或比他稍早一些。大致在2004—2005年的这段时间,我们瞄准大面积、缺陷可控、没有杂质、高质量的单晶石墨烯的制备。为了达到这个目标,我们从方法上创新,发现了新的方法。

  经过两三年的探索研究,我们于2007年首先发表了在单晶金属基底上制备高质量单层石墨烯方法,并且是在国内刊物Chinese Physics上发表的。刚开始我们找到一个厘米大小的金属钌单晶,同时尝试着用好几种过渡金属,尝试多种过程,发现单晶金属表面上都能生长出来高质量、大面积的石墨烯,并发明了在单晶金属表面生长大面积的、缺陷可控的二维石墨烯材料的制备方法。金属单晶尺寸有多大,我们的石墨烯就能做多大,进一步发现钌是最好的能在单晶金属生长出大面积、几乎没有缺陷的单晶石墨烯材料,这是我们研究的第一个阶段。

  未来信息材料在器件里的应用,需要大面积、缺陷可控的二维原体材料。由于金属单晶成本很高,钌的价格很昂贵,应用中并没有多少商业价值。我们就探索用单晶金属薄膜来做,这是第二点。于是,我们更进一步,开始做单晶薄膜,做成钌单晶薄膜,面积同样可以做得很大,并在二维的过渡金属的单晶薄膜制备上取得了突破。

  第三点,在金属表面上生成单层或两层的石墨烯,不管质量多好,物性多好,但还是不能用于电子器件,因为其基底是导电的,用石墨烯做器件基底需要绝缘。我们想办法,把大面积的、几乎没有杂质缺陷的、高质量石墨烯,在原子结构不受到任何“损伤”,直接“放”在绝缘体上或者是半导体上去。

  在绝缘体上直接可以做器件,在半导体上需要把半导体氧化后再做器件。我们找到的方法,就是不需要把石墨烯从表面上取下来,而只需要把硅层插进去。我们在顶级期刊上发表了实验结果及其机理,同时,实现了把高质量的石墨烯,在原子结构层上,无损伤、无破坏放到单晶硅上去。现在的器件还是在氧化硅上,如何把硅插进去氧化,原理通了,下面就是如何进一步去做实用器件的研究。

  石墨烯的制备存在许多挑战,自然也充满机会。跟着别人去做,永远不会有创新的可能。我们奔着别人没有解决和达不到的目标,找到新的方法,选择从制备方法上进行创新。现在,面向未来的实际应用,我们继续沿着追求大面积、高质量石墨烯的目标,努力去做事情。

  追求有用的产业化落地

  本刊记者:在加速石墨烯科研及推动产业化应用过程中,您认为哪些路径是我们可以尝试的?

  高鸿钧:正因为国内外众多物理、化学和材料方面的研究团队全力攻坚,使得与石墨烯相关的新成果不断涌现。现在有一个根本性的前提,在产业应用方面,纯的石墨烯单层、两层或多层材料,到底有没有应用前景,有没有有用的物性,这是我们首先需要去思量的。尽管通过不同的制备方法能得到大面积、高质量的石墨烯。如果石墨烯本身没有有用的物性,即使得到大面积高质量的石墨烯,结果也是没有用的。

  接下来更大的问题,就是要生长出来有功能特性的“石墨烯类”材料,即有用功能特性的二维原子晶体材料。新奇的物理性质在基础科学研究中是非常重要的。同时也要追求其实用化、产业化,并为人类服务,就要追求有用。寻找到有用的、有功能特性的二原材料是未来的重大题课。我们团队现在可以用硅、锗、铪等元素来代替碳原子,形成二维原子晶体材料。我们是国际上最早能做出硅烯的3个研究组之一,我们是首次制备出锗烯、铪烯、PtSe2等新型二维原子晶体材料的研究组。可以说,这十多年来,我们研究团队采用分子束外延生长方法制备出了大面积、高质量的石墨烯及类石墨烯二维原子晶体材料,例如:石墨烯、硅烯、锗烯、铪烯、二硒化铂和锑烯等。这些材料体系多数为国际上首次创制,相关工作也位居国际引领地位。这些新型二维原子晶体材料的成功,不仅丰富了二维原子晶体材料库,也为探索其物理特性和潜在的应用奠定了基础。现在我们仍然在寻找其有用的物性,寻找它的元素配比、结构,希望最后能落地到产品和产业上。

  产业化的中国机会

  本刊记者:石墨烯属于前沿研究。当前国内国外在石墨烯方面的布局有什么不同?中国在石墨烯研究和产业化应用方面有哪些特色?

  高鸿钧:我们控制原子结构,控制缺陷,总的是为了控制它的功能特性,是为了去追求高性能及其实际应用。当前国际上重要的研究方向,在追求新材料体系的发现,也就是想办法用新的元素替代,尝试新的成份,做出新型的石墨烯类的二维原子晶体材料。

  几年前,我就参加了欧盟委员会选定的石墨烯旗舰计划。作为欧委会评审委员会成员,我全程参与了函审、会审,再到答辩,最后从一百多个项目中,选定了未来新兴技术旗舰项目的两大科技项目——石墨烯和人脑工程。石墨烯项目支持的力度很大,支持的面非常宽,除了高等学校、科研院所,许多搞应用的大企业也参与其中,像诺基亚、巴斯夫、拜耳公司等。旗舰项目的使命是让石墨烯从实验室走向社会,促进经济增长并创造新就业,以石墨烯的制备为核心,重点关注和追求石墨烯的产业应用。

  中国无论是在石墨烯基础研究领域还是在产业化方面,都是世界上规模最大的,对于整个行业发展的推动作用不容忽视。特别是在材料生长方面已取得突破性进展,SCI论文发表数量位居国际前列,研究水平步入国际先进行列。我国在石墨烯材料、石墨烯薄膜的应用研发和制备方面具有一定的地位。从应用角度看,我国石墨储能丰富,价格低廉,生产石墨烯的原材料是有保障的;另外,我国已成功突破批量化生产和大尺寸生产这两大难题。

  本刊记者:国家出台很多政策,鼓励石墨烯领域的自主创新。您本人对国内企业有什么好的建议?

  高鸿钧:我国石墨烯相关技术的研发主体是大学和科研机构,企业的研发力量薄弱且分散。现在有些企业开始跟科学家或研究机构合作,也去做一些石墨烯研发的工作。我真心希望国内企业能多跟科研机构、大学实实在在建立长效合作机制,企业要有远见,不要急功近利,原始创新要有突破,在应用开发上要有突破。炒概念只能是短期行为,对夯实国家的科技基础及其产业基础没有真正的意义。

  国内企业要想真正做出国际特色的产品,在科学上就要跟科学家一起,实现从跟踪、跟跑到引领。引领需要做很多探索性的工作,需要有长期的投入,制定攻关目标,充分发挥各自所长,这样才能做出高水平的、有核心技术、有自主知识产权的高端产品。现在,我们的基础研究积累不够,长期的积累需要企业家与科学家长期合作,这是国内当前基础研究领域和产业界面临比较大的困难,也是需要大家一起努力去做的事情。企业想要真正在国内寻求产业突破,还要大力提升科技和产业创新融合的能力。

  中国从科技大国到科技强国有个过程,不是一蹴而就的,不是5年或10年就能达到的,需要长期的、艰辛的、持续的努力。从科学、技术到产业方面,核心高科技、顶尖高技术都要有自己的科学基础做铺垫,我们才有可能做出国外卡脖子,或者是国外没有做出来的产品来。

  本刊记者:随着研究的深入,石墨烯应用领域也将不断拓展。您预计会在哪些领域发现石墨烯杀手锏级的应用?

  高鸿钧:随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,应用领域将不断拓展。目前,新材料的探索以及未来的应用,主要集中在信息与能源产业。下一代的信息材料是什么?我们自然会想到二维原子晶体材料在信息领域的应用,信息包括光信息、电信息,以及未来最前沿的量子信息等。欧盟的“石墨烯旗舰计划”的背景也是在信息领域。另外就是能源领域,再次就是在传统领域的产品升级改造。我们期望,新材料都能在这些重要的、大的领域有所应用。

  科教融合育人才

  本刊记者:作为亲历者、见证者,谈谈您在中国科学院探索科教融合过程中的深刻体会。

  高鸿钧:中科院拥有先进的大科学装置、顶尖的科学家、前沿的研究课题和浓厚的学术氛围,这样的环境非常适合培养青年科技人才。科教融合是中科院办高等教育的优势和特色,也是中科院办教育的立足之本。中国科学院大学要把教育办出特色,办出国际前沿水平,最可倚仗的资源便是各个研究所。中国科学院大学物理科学学院是按照“科教融合”体制建成的二级学院,作为亲历、见证、管理者,我能感受到科教融合带来的前后变化和优势体现。

  现在国科大校本部的教师可以融入到研究所中去,与研究所里的研究人员共同申请科研课题、共同开展科研项目,极大提升了校本部教师的科研条件和科研水平。而这样一批新生力量的加入,也为科学家的科研团队助力。

  国科大招收本科生,带来了高质量的生源。这些优秀的本科生,在科教融合的平台上,接受最好的教育,有机会和杰出科学家一起做科研,很好地解决了过去或多或少存在的教育与科研衔接不顺的问题,实现了学生的授课老师和所属导师身份的合一。同时,研究生们也有机会聆听知名科学家的课程,并在高水平科学家的指导下从事科学研究,对科研工作有切实具体的认识,这对培养他们的科学精神和科研理念有着重大意义。科教融合体现出了国科大实实在在教书育人的决心。

  本刊记者:提高自主创新能力是我国科研机构亟待加强的关键环节,也正是科研工作者的责任。在培养科技领军人才方面,您有哪些经验与未来的科研年青人分享?

  高鸿钧:研究机构和大学的科研人员,要密切关注国际上的研究动态,在研究国际动态的同时,还要考虑我们自己该做什么,包括跟企业家、跟企业的合作。中国目前技术研究的科学家,当他们有比较好的研究成果后,还是愿意跟企业、跟市场、跟产业结合。信息的开放,顺畅的交流,让大家的理念更开放,当科研人员有技术成果时,也都愿意以某种形式或者通过某种途径把科研成果拿到市场去转化,做到真正有用。科研的驱动力一方面是人类探索自然的好奇心,另一方面要造福于人类,为社会发展做贡献。

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