石墨烯「攪局」LED產業，稀土元素得靠邊站？

OFweek半導體照明網訊 回想起2014年的時候，當中國的A股市場還徘徊在7年大熊市的尾部，石墨烯概念股卻集體逆勢飆升，風頭一時無兩，轉瞬之間，這種新材料就成為了人們的一大熱議話題。作為一種比鋼鐵強韌200倍的新材料，石墨烯僅有一個原子的厚度，同時更兼具了彈性好、導電性強、透光率高等諸多優質性能於一身。

據了解，石墨烯本來就存在於自然界中，只是難以剝離出單層結構。將石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。例如用鉛筆在紙上輕輕划過，留下的痕迹就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

資料顯示，在2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。然而，如今相距被科學家發現僅10餘年時間，全球石墨烯製備技術和產業化應用都處於起步階段。

由於石墨烯是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，可謂「新材料之王」， 也因此被譽為「黑金」。甚至有科學家預言，石墨烯將「徹底改變21世紀」，從而極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術新產業革命。

就是這如此多「光環」加持，「牛逼閃閃」的新材料，如今得到了又一新階段的研究成果，確實可喜可賀。小編今日就為大家談談這種在我們LED產業的應用前景，也同樣廣受看好的新材料——「石墨烯」。

取代稀土元素？

近段時間，國內外的研究學者利用石墨烯進行的研發就取得了重要進步。首先是來自中國台灣清華大學的研究人員，他們在《ACSNano》上發表了一篇文章，聲稱使用了稀土元素以外的材料製作出可以發白光的LED產品。

據介紹，這個LED是以鹼金屬鍶為基礎，搭建了金屬有機框架(MOF)，在MOF的上下分別結合了石墨烯等材料，構成了可以直接發出白光的LED。

這裡提到的MOF，是由金屬離子和有機材料配合形成的。過去的20年，它被廣泛應用做化學分離器、藥物輸送、氣體儲存、催化等領域。然而，因為MOF一般多孔、導電性差的原因，一直以來在光電領域都極難見到這個材料。

事實上，在早期的研究過程中，可以發出白光的MOF基本都是由不同種稀土元素複合在一起。研究人員要解決以上問題，就必須改用導電性能較好的元素，與此同時，這個元素也要能在激發下發射款頻段的光。於是研究者嘗試換用了有機配體，使用了鹼土金屬鍶製備MOF材料。

他們表示，在MOF表面，加上了透明電極石墨烯，既提高了載流子遷移率，也不會特別影響光學性能。又由於石墨烯優良的導熱性能，新型白光二極體的導熱性能更好。研究者在MOF材料外圍，還組合了石墨烯、二氧化硅、氧化鋅，使其在電驅動可以發光。

使用MOF材料來製造發光器件，無疑給了人們一個全新的思路。測試的結果也表明，作為發光器件，其光線的顯示範圍非常接近於自然光，作為半導體器件，其穩定性也較好，在測試的兩個月期間，幾乎沒有性能下降。

另一方面，這種材料更是別具環保意義。在如今稀土元素越來越少的狀況下，新型LED不使用稀有元素，大幅減少使用量，確實能夠起到節約資源的作用。此外，減少稀土元素的開採，對因此而造成的環境污染，也能得到有效控制。

並且，由於新材料發射出的光線與自然光非常貼近，不會有強烈的藍色光出現。由於不用遮擋其他顏色光，發光效率得以大大提升。減少了電力的消耗，溫室氣體的排放量也會降低。

「零缺陷」的石墨烯

當下，國際上有很多企業都在生產「石墨烯」，因其屬於二維材料，能生產結構「零缺陷」的高品質石墨烯卻可謂少之又少。雖然石墨烯的發展前景備受看好，但從過去至今，全球研究人員一直都在尋找製造無缺陷石墨烯的低成本方法。好消息是，近日德國化學家對外宣布找到了一種廉價生產無缺陷石墨烯的方法。

消息指， 目前的石墨烯製造技術，在產品的大小、面積和瑕疵(影響導電性)等方面都有待改良，因此半導體工業暫時還未真正應用石墨烯。終於在近期，一支由AndreasHirsch教授領導的FAU研究團隊在減少石墨烯的瑕疵這方面實現了突破。

據外媒報道，德國埃爾朗根-紐倫堡大學(FAU)的化學家如今已率先成功地用石墨生產出了無缺陷石墨烯。這項研究成果最近發表在《自然通訊》上。

一直以來，常用的石墨烯傳統製造方法，都是採用石墨的化學剝脫。這種方法首先要將金屬離子嵌套在石墨(由碳構成)中，形成插層化合物，再用溶劑把單層碳原子，也就是石墨烯分離下來，最後把穩定後的石墨烯從溶劑中分離出來。問題在於，在這個過程中，由於晶格中碳原子的水合或氧化作用，最終得到的石墨烯也就可能出現缺陷。

這次，FAU的研究人員利用添加劑苯甲腈，發現了一種直接用溶液製造無缺陷的石墨烯的方法。他們在這種溶液中添加了苯甲腈，從而讓石墨烯能夠在不產生多餘的官能團的情況下被分離出來，因此得到的石墨烯是無缺陷的。

用這種方法製造出的石墨烯既能夠無缺陷地切割，也可以通過設定載流子的數量獲得特定電學性質。用這種方法生產出來的石墨烯的質量比以往任何方法都要高得多。令人欣慰的是，這項技術效率很高，成本卻較為低廉。

Hirsch教授稱，這個發現對於還原石墨烯合成領域的專家來說具有突破意義，根據這項發現，專家預計用濕化學剝脫法製造的石墨烯的方法會取得巨大進步。比如，可以為半導體和感應器技術切割無缺陷的石墨烯。

此外，FAU的研究人員設計的方法還具有另一項優勢：在反應中，還原後的苯甲腈分子只要不接觸氧氣或水，它就會變成紅色。根據變色，研究人員就能很容易地用吸收測量法對載流子進行計數。之前，只能通過測量電壓來計算載流子數量。這意味著，石墨烯和電池研究人員現在有了測量充電狀態的新方法。

中國的概況

據統計，在中國有著世界上最龐大的石墨烯研究隊伍和全球三分之一的專利數量。目前，近20個石墨烯產業園在建或已經建成，300多家企業從事石墨烯及相關產品生產研發或為其提供儀器設備。中國石墨烯行業正從基礎研究向產業化過渡，未來有可能在觸摸屏、柔性電子器件等領域率先實現產業化。

因發現石墨烯而獲得諾貝爾物理學獎的物理學家安德烈·海姆表示，從世界範圍來看，各國在專利申請方面都存在共同問題，即科研機構申請的專利數量遠遠超過企業，但真正做成商業化的較少。目前，在商業化應用方面中國處於引領位置，這主要由於中國對石墨烯的發展非常重視和支持。

當前在世界各國謀求新一輪科技與產業升級的大背景下，石墨烯材料的應用研究已經被許多國家提升至國家戰略高度。

目前，包括英國、美國、西班牙、韓國等國家均對石墨烯的研發投入大量資金。《中國製造2025》技術路線圖更是明確指出，中國石墨烯產業「2020年形成百億產業規模，2025年整體產業規模突破千億」的發展目標。

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