中国科学院国家科学图书馆 科学研究动态监测快报 2012 年11 月1日第21 期(总第 163 期) 先进制造与新材料科技专辑 本期重点 石墨烯制备与应用路线图 英国重视添加制造技术开发 2017 年印刷电子关键材料市场将达 26 亿美元 美国改进稀土材料回收工艺 IBM 向碳纳米管芯片迈出第一步 中国科学院高技术研究与发展局中国科学院规划战略局中国科学院国家科学图书馆武汉分馆中国科学院国家科学图书馆武汉分馆 武汉市武昌区小洪山西区 25 号 邮编:430071 电话:027-87199180 电子邮件:jiance@mail.whlib.ac.cn 先进制造与新材料科技专辑 2012 年第 21 期 (总第 163 期) 目录专题石墨烯制备与应用路线图.1 政策计划 报告认为英应加紧制定 3D打印相关政策.8 英投入 700 万英镑开发添加制造技术.8 行业动态 2017 年印刷电子关键材料市场将达 26 亿美元.9 BASF与TenCate开发车用热塑性复合材料.10 研究进展 新膀胱癌纳米粒子药物输送系统.10 美改进稀土材料回收工艺.11 储能用新型水电解质电池.11 新型纯铜焊接材料问世.12 IBM推进碳纳米管芯片研究.12 出版日期:2012 年11 月1日专题石墨烯制备与应用路线图 编者按:自从 2004 年英国曼彻斯特大学研究人员利用"撕胶带法"发现石墨 烯以来,这种二维材料一直是材料和物理学界研究的热点之一.近年来,各国研究 人员已取得了大量的研究突破,在大规模制备方面也获得了重大的进展.这种单原 子厚度的碳材料具有极强的机械强度、超高的导电和导热性、气密性,以及其他性 质, 这些使得许多应用领域都在关注这种材料. 本期专题在相关综述文献的基础上, 简要介绍了石墨烯研究以及制备方法开发方面的一些新进展, 并对石墨烯的各种应 用的可行性进行了辩证地分析. 石墨烯是人们所能获得的第一个二维原子晶体,诸如机械硬度、强度与弹性、 导电及导热等性质都是超强的.这使石墨烯很有可能替代现有众多应用领域中的其 他材料,所有这些极端的性质都集中在一种材料中,就意味着石墨烯有望推动几项 革命性的技术:集成了透明性、传导性和弹性,石墨烯或将用于柔性电子器件;集 成了透明性、气密性和传导性,石墨烯又或将用于透明保护涂层或阻挡层;这些性 质的组合还在不断地增多.但是,转变到一种新的技术往往是一个花费时间和财力 的过程,石墨烯是否真的可以证明这样的转变是可行的? 一 石墨烯性质 石墨烯的研究进展如此之快,一大原因就是在实验室可以通过相对简单、廉价 的途径制得高品质的石墨烯.实验条件下测得的石墨烯性质超过了其他任何材料, 甚至一些达到了理论预测极限:室温下的电子迁移率为 2.5*105 cm2 V-1 s-1 (理论极限 约为 2*105 cm2 V-1 s-1 ) ; 杨氏模量为 1 TPa, 固有强度 130 GPa (非常接近理论预测值) ; 非常高的热传导性(大于 3000 W mK-1 ) ;光吸收πα≈2.3%(针对红外,式中α为精细 结构常数) ;任何气体完全不能透过;能够维持极高的电流密度(是铜的 100 万倍) . 石墨烯还有一个已被验证的性质,那就是易被化学修饰. 正是这些出众的性质,使石墨烯获得了"神奇材料" (miracle material)的雅称. 然而,仅有高品质的样品(如机械剥离制得的石墨烯)以及六边形 BN 等特定衬底 上沉积的石墨烯方可获得这些性质.迄今为止,通过其他一些方法得到的石墨烯尚 未具备这些超强的性质,尽管这些方法正在不断得以改进.一旦大规模制备的石墨 烯具备了与实验室里最佳试样相同的性质,产业化应用的春天就不远了. 二 制备方法的挑战 从本质上来说,石墨烯的应用市场是由具有特定性质的石墨烯的制备工艺推动 1 的,这种局面或还将维持若干年的时间,或者说,至少到石墨烯的各种潜在应用都 符合了各自的需求.当前,制备各种维度、形状和品质的石墨烯的方法有很多,以 下仅讨论那些有望进行产业升级的方法. 可以根据得到的石墨烯的品质(进而是可能的应用) ,进行如下分类: (1)石墨 烯或还原的石墨烯氧化物薄片,用于复合材料、导电涂料等; (2)平面石墨烯,用 于低活性或无活性器件; (3)平面石墨烯,用于高性能电子器件.各种等级的石墨 烯的性质非常依赖于其品质、缺陷类型、衬底等,而这些又受到制备方法的影响很 大.以下图 1 和表 1 对此进行了一些小结. 图1几种大批量制备石墨烯方法的比较 表1不同方法制备的石墨烯的性质比较 方法 晶体大小 (μm) 试样大小 (mm) 载流子迁移率 (环境温度) (cm2 V-1 s-1 ) 应用 机械剥离 >1000 >1 >2*105 且>106 (低温下) 研究 化学剥离 ≤0.1 作为层叠薄片的一层,无限 100 (对于层叠薄 片的一层) 涂层、涂料/墨水、复合 物、透明导电层、储能、 生物应用 石墨烯氧化物化学 剥离 ~100 作为层叠薄片的一层,无限 1 (对于层叠薄片 的一层) 涂层、涂料/墨水、复合 物、透明导电层、储能、 生物应用 CVD 1000 ~1000 10000 光子、纳米电子、透明 导电层、传感器、生物 应用 SiC 50 100 10000 高频晶体管及其他电子 器件 2 以CVD 方法为例. 该方法有以下不足: 一般需要从铜基转移至电介质表面或其 他衬底,加之能耗较大,工艺成本较高;得到的石墨烯往往存在缺陷、晶界、夹杂 厚层等.CVD 法制备石墨烯在被广泛使用之前,尚有一些问题需要解决.例如,石 墨烯能在几十纳米的金属薄层上生长,同时控制晶粒尺寸、波纹、掺杂程度以及层 数等.改进转移过程,使得对石墨烯的损伤最小,并能使金属循环使用. 转移过程与生长过程一样复杂,因而出现了一些依赖于石墨烯在金属表面共形 生长的应用,此时无需去除金属衬底.例如,石墨烯是各种气体的优良屏障,在金 属表面形成一层共形层,可使金属抵御腐蚀. 一旦石墨烯能够在各种衬底表面上、低温环境下(如等离子体 CVD 等)生长, 并且使缺陷最少,这将会是重大的突破.若能利用各种表面,就可避免步骤复杂、 成本高昂的转移过程,改善石墨烯与 Si、GaAs 等的耦合.低温环境则能提高石墨烯 与现代微电子技术的兼容性,并极大地节约能源. SiC 方法的两大缺点在于 SiC 晶片的高成本以及所使用的高温(高于 1000℃) . 短期内看,高温问题难以得到解决.此外,消除叠层、提高晶粒尺寸、控制来自衬 底和缓冲层的掺杂也是将来需要克服的技术问题. 尽管当前还有大量其他的制备方法,但在未来十年投入商业化难度较大.然而, 仍有一些方法值得关注.单分子层前驱物与线性聚亚苯基的表面辅助耦合,然后再 进行环化脱氢,这是制备高品质石墨烯纳米带甚至更复杂的结构(如T型、Y 型连 接)的自下而上的新方法.分子束外延生长可用于制备化学纯石墨烯,但其成本高 于CVD 方法. 激光消融技术则可将石墨烯纳米薄片沉积在各种表面上, 该方法与化 学剥离石墨烯的喷涂技术形成正面竞争,也不会广泛使用. 三 石墨烯的应用 1 电子器件 石墨烯由于没有带隙,因此不太可能在未来的十年内作为沟道材料被应用于高 性能集成电路当中.不过,许多其他的要求较低的石墨烯电子应用正在开发当中. 石墨烯具有超高的载流子迁移率和极薄的物理厚度,因此在柔性电子器件、高频晶 体管和逻辑晶体管领域有一定发展潜力. 触摸显示屏、电子纸(e-paper)和有机发光二极管等电子器件中,广泛使用了 透明导电涂层材料,这种材料需要较低的薄膜电阻和较高的透光率.石墨烯满足电 性能和光性能方面的需求,并且单层透光率达到了 97.7%,不过传统的铟锡氧化物 (ITO)在这些特性方面表现得比石墨烯仍然略胜一筹,但考虑到石墨烯性能日渐 改善,而ITO 将会越来越昂贵,石墨烯材料仍然不失为一种良好的替代选择.除此 之外,石墨烯还具有出色的柔韧性和化学稳定性,这对于柔性电子器件而言相当重 要特质是 ITO 不具备的.触摸屏、电子纸以及可折叠 OLED 等的石墨烯原型产品预 3 计要到 2014-2016 年才会面世. 石墨烯在高频晶体管上的应用也展开了广泛的研究,不过它仍面临与更成熟的 技术如化合物半导体的竞争,因此石墨烯在高频晶体管上的实际使用可能要到 2021 年以后,届时化合物半导体将无法满足器件的需要(截止频率fT=850 GHz,最大振 荡频率fmax=1.2 THz) . 不过当前报道的石墨烯fT仅300GHz, 普通石墨烯结构的fmax仅30 GHz. 在逻辑晶体管中,硅技术仍然具有一定发展潜力,由于没有带隙,石墨烯若要 替代目前的硅技术,可能必须等到 2020 年之后. 图2列出了部分可能的石墨烯电子应用以及原型示范时间节点. 图2石墨烯电子应用时间节点 表2石墨烯电子应用 应用 优势 需解决的问题 触摸屏 石墨烯具有比标准材料更好的耐久度 需要更好地控制石墨烯的接触电阻,降 低薄膜电阻 电子纸 单层石墨烯具有很好的透光率 需要更好地控制接触电阻 可折叠OLED 石墨烯可弯性低于 5 mm;石墨烯的功能 可调性能够改善 OLED 的效率; 其原子级 的平滑表面可以帮助避免短路和漏电 需要更好地控制接触电阻,降低薄膜电 阻,以及实现三维结构的同形覆盖 高频晶体管 (根据 2011 版ITRS 路线图)2021 年后, 将没有可用于 InP 高电子迁移率晶体管 (低噪)的制造解决方案 需要达到电流饱和,以及达到截止频率 fT=850 GHz,最大振荡频率fmax=1.2 THz 逻辑晶体管 高载流子迁移率 需要构建新的石墨烯结构,解决带隙与 迁移率之间的平衡问题,并达到高于 106 的截止/导通比 2 光子学 电子在石墨烯中表现出的行为是一种无质量的二维粒子,这使其对于光子能量 低于 3 eV 的正入射光具有非常明显的与波长无关的吸收能力.此外,由于泡利阻塞 效应,当光子能量在低于 2 倍费米能级时,单层和双层石墨烯的将会完全透明.石 墨烯的这些性质适合于制造可控式光器件. 4 石墨烯光探测器是目前研究最活跃的光器件之一.相比半导体光探测器,石墨 烯的光谱范围相当广,从红外到紫外都可探测.石墨烯的另一优势是高频工作带宽, 理论上达到 1.5 THz,实际极值为 640 GHz,这使其很适合高速数据通信.带隙的缺 失使石墨烯光探测器需要一种特别的载流子拉出模式.由于石墨烯过薄,有效探测 面积小,使其光吸收能力较弱,最大响应度很低.考虑锗光探测器的最大工作带宽, 石墨烯光探测器可能要到 2020 年以后才具有竞争力. 硅基光调制器的工作带宽很窄,大约仅 50 GHz,而石墨烯能够吸收很广的光谱 范围,响应速度极高,能够有效提高光调制器的性能,可能实现高于 50 GHz 的工作 带宽,不过相关成果可能要到 2020 年以后才会出现. 图3石墨烯在光子器件应用上实现实际应用的可能时间节点. 表3石墨烯光子应用 应用 优势 需解决的问题 可调谐光 纤锁模激 光器 石墨烯具有很宽频谱范围 需要低本高效的石墨烯转移技术 固态锁模 激光器 石墨烯饱和吸收体比较廉价并且容易与激 光系统整合 需要低本高效的石墨烯转移技术 光探测器 石墨烯能够提供 640GHz 的波长带宽(片- 片或片内通信) 需要增加响应度, 这需要开发新的石墨 烯结构或进行掺杂控制, 并且调制器带 宽也要做相应变化 偏振控制 器 当前偏振控制器体积很大,或难以集成, 石墨烯具有体积小,能够与硅集成等优点 需要得到高质量石墨烯, 并且能够完全 控制其各项参数 光调制器 石墨烯能够提高工作速率,避免复杂的 III-V 族半导体外延生长 需要得到具有较低薄膜电阻的高质量 石墨烯, 使其工作带宽提高到 100 GHz 以上 隔离部件 石墨烯能够在硅衬底上做出很小的隔离部 件 对这类产品而言需要降低磁场强度并 优化工艺结构 被动锁模 半导体激 光器 石墨烯饱和吸收体可以提供大于50个波长 的密集波分复用光纤互连,这一点是激光 阵列无法做到的 竞争对手是主动锁模半导体激光器和 锁模外腔激光器 5 显微镜等仪器中使用的声光锁模激光器,通常使用饱和吸收体选择性发射高强 度光来进行亮度调制.与传统半导体饱和吸收体相比,石墨烯单位厚度可以吸收大 量的光子,可以在很广的光谱范围内在较低强度下达到饱和,而且具有超快载流子 弛豫时间、可控调制深度、高热导率等优点,而且只需要面积很小的石墨烯就可以 实现,因此石墨烯在该领域的商业化在 2020 年以前就能够实现. 在传感器、医学成像仪器中常用的太赫兹发生器应用中,近期研究考虑采用飞 秒激光脉冲激发单层石墨烯或多层石墨来产生载流子,不过这种方法产生的强度比 III-V 族半导体光导天线弱了 3-4 个数量级.因此实际的石墨烯太赫兹发生器可能要 到2030 年才能实现. 光学偏振控制器如偏振器、偏振旋转器是控制光子偏振属性的重要部件.如果 使用石墨烯,必须使用高质量、毫米尺寸的石墨烯,与光纤等其他部件集成在混合 器件中共同工作,因此相关的石墨烯应用最早也要等到 2020 年才能实现. 3 复合材料 由于石墨烯的机械、化工、电子、阻隔性能以及高的纵横比,在复合材料中的 应用中具有很强的吸引力.但纯石墨烯与碳纤维基体可能不具有粘合性,将需要对 石墨烯进行化学修饰.对于聚合物基体的环境,石墨烯可以起到气阻、湿阻、电子 屏蔽、导热、导电、应变检测的作用,因此可以提高复合材料的操作温度、减少湿 气的吸入、减少抗静电行为、保护复合材料免受雷击、提高耐压强度等.石墨烯基 复合材料市场是近几年才出现的新市场, 真正的突破需要等到石墨烯薄片达到 10 微 米且容易制备. 4 能源 石墨烯被寄予厚望的应用实例之一是转换效率非常高的新一代太阳能电池,如 量子点、染料敏化太阳电池等.展望其今后的应用领域,首先是透明导电膜领域, 其次是中间电极等领域.石墨烯具有非常高的载流子迁移率,因此即使载流子密度 非常小,也能确保一定的导电率.有机薄膜太阳能电池是最接近石墨烯实用化的应 用之一,在太阳能电池中使用石墨烯作为中间电极的优点是透明且与半导体层的相 容性较高.石墨烯中电子和空穴的载流子迁移率相等,既有 n 型又有 p 型,而原来 的中间电极一般重叠使用 n 型和 p 型两种材料,因此石墨烯仅需一层就能替代原来 的材料. 石墨烯应用于新一代锂离子电池也得到了广泛的研究,添加石墨烯和碳黑的电 极可以提高阴极的导电性,还可以解决锂离子电池的局限性——低的比功率密度. 石墨烯高的热导电性有利于在电池系统产生大量的热.石墨烯片作为阳极可植入锂 中形成层状晶体. 石墨烯具有高的室温电导率、导热系数,石墨烯片之间形成的微孔结构利于电 6 解液的渗透和电子的传输,因而被认为是超级电容器理想的电极材料.石墨烯可作 为超级电容器的电极,石墨烯与金属氧化物、导电聚合物、碳纳米管等复合形成石 墨烯复合材料用于电极. 5 传感器 石墨烯对一些酶呈现出优异的电子迁移能力,对一些小分子具有良好的催化性 能,是其适合做基于酶的生物传感器,即葡萄糖传感器和乙醇生物传感器.基于石 墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上,比碳纳米管更有优势,因此石墨 烯电化学传感器性能更优越,石墨烯还可以对 DNA 电化学传感器进行修饰.石墨 烯传感器具有多种功能,可以检测应力、环境气体、压力、磁场等.石墨烯在传感 器领域的应用还包括分子传感器、气体探测器等.与传统 CCD 或CMOS 传感器相 比,石墨烯传感器还更容易制造、更小,且更薄. 6 生物 石墨烯在生物领域也有很多潜在应用.石墨烯表面积大、化学纯度高、功能实 现便捷,因此在药物传输方面具有重要应用.石墨烯优良的机械性能使其用于组织 工程和再生医学领域.石墨烯具有超级薄、高导电性、高强度等,成为透射电子显 微镜下生物分子成像的理想支撑材料.石墨烯优良的化学性能使其成为超快和超灵 敏的检测器件,可用于检测众多的生物分子,如葡萄糖、胆固醇、血红蛋白、DNA 等.石墨烯在生物领域广泛应用前,还必须充分了解石墨烯在制备等一些列过程中 的生物分布性、生物相容性、急性与慢性毒性等. 四 结语 物理学家曾经将石墨烯想成一种完美的碳原子二维晶格.然而,随着新技术路 径的发现,研究范例也发生了转移:即便是不完美的石墨烯也能够得到应用.实际 上,不同的应用需要不同品质的石墨烯,这使石墨烯材料更容易迈向实际应用.由 于当前石墨烯应用市场由这种材料的生产情况决定,因此这类应用需要多久才能到 达消费者手中有了一个明晰等级区别.那些使用最低等级、最便宜和最易获取的材 料将会在数年内首先面世,而那些高品质或者具有生物相容性的应用可能需要数十 年来开发.此外,由于近几年石墨烯的相关开发非常迅速,石墨烯的性质得到了持 续改良.尽管如此,只有在石墨烯的性质足够吸引人,能够转换成具有足够竞争力 的实际应用的时候,才能够取代目前的标准材料. 石墨烯是一种非常独特的晶体,它集众多超级性能于一身,这意味着其能力只 有在为其量身订造的新型应用中才能发挥得淋漓尽致.在不远的将来,随着各种新 技术,例如可打印电子器件、柔性电子器件、柔性太阳电池和超级电容器等的出现, 石墨烯将展现出其巨大的潜能. 姜山万勇冯瑞华 编译 7 政策计划 报告认为英应加紧制定 3D 打印相关政策 10 月16 日,英国Big创新中心1 发布题为《三维政策:为何英国需要制定 3D打 印政策》 (Three dimensional policy: why Britain needs a policy framework for 3D printing)的报告.该报告认为,3D打印技术会使制造业工作机会回流英国,降低生 产造成的环境影响,并为消费者提供相当大的自由选择权;不过同时,这种技术也 会对英国的法律框架造成冲击. 报告指出,政府应该快速行动,引入更具弹性的知识产权体系,并为发明者和 设计者制定激励机制,不过也要进行监管,防止 3D 打印技术被用于生产枪支和非 法物品. 报告撰写人 Andrew Sissons 说: "3D 打印将扫除因特网和真实世界之间的障碍, 而法律也不再能够将二者简单地区分开来".他认为,政策制定者应该从音乐产业 中吸取教训,在该产业中,政府强制执行过时的产权法案,而不是推动创新.而3D 打印推动的制造业的重要性远比音乐产业重要得多,也具有更深远的影响力,如果 忽略这些问题将带来政府无法承受的风险.另一名报告撰写人认为,3D 打印技术的 潜在经济影响是巨大的,3D 打印将在设计、零售和数字产业方面发挥作用. 报告还对 3D 打印的未来市场进行了预测,描绘出未来这一技术将如何在家庭、 商店和工厂中得到利用并造成影响. 报告下载地址:http://www.biginnovationcentre.com/Assets/Docs/Reports/3D%20p rinting%20paper_FINAL_15%20Oct.pdf. 姜山编译自 http://www.theengineer.co.uk/policy-and-business/news/report-reveals-urgent-need-for-3d-printing-pol icy-for-designers/1014263.article 检索日期:2012 年10 月29 日 英投入 700 万英镑开发添加制造技术 10 月22 日,英国大学与科学部长戴维·威利茨(David Willetts)宣布将投入 700 万英镑以推进添加制造技术的研究与开发.本次资助将由英国技术战略委员会 (TSB) 、工程与自然科学研究理事会(EPSRC) 、艺术与人文研究理事会(AHRC) 以及经济与社会研究理事会(ESRC)共同管理. 这项名为"激励添加制造中的新设计自由" (Inspiring New Design Freedoms in 1 Big创新中心是英国著名智囊组织"工作基金会"与兰开斯特大学共同成立的政策咨询机构,致力于将英国打 造成世界一流的创新中心. 8 Additive Manufacturing)的公开竞争将于 12 月3日正式启动,主要关注于能够快速 制造部件和用户定制产品的添加制造技术,并使之快速进入市场.其最终目标是帮 助英国企业加速对添加制造技术的应用,克服现有的技术障碍,并尝试探索新的商 业模式. 黄健编译自 http://www.innovateuk.org/content/competition/inspiring-new-design-freedoms-in-additive-manufact.ashx 检索日期:2012 年10 月30 日 行业动态 2017 年印刷电子关键材料市场将达 26 亿美元 Lux 研究报告《油墨货币市场:印刷电子材料前景》 (Inking Money: The Prospects for Materials in Printed Electronics)指出,在降低成本的驱动下,2017 年导电 油墨和浆料、新透明导电膜、半导体油墨等印刷电子材 料市场将增长至 26 亿美元. 不透明导电油墨市场将从 2012 年的 14 亿美元增长 至2017 年的 24 亿美元,其中医疗和 RFID 应用将是增 长最快的领域.然而,银浆仍然占据主导地位,其他材 料与太阳能应用相关.透明导电薄膜将取代铟锡氧化物,广泛应用于触摸屏,将增 长至 7.05 亿美元,其中 1.12 亿美元市场来自油墨.印刷半导体到 2017 年将增长到 6800 万美元,率先应用于 OLED 发光材料解决方案处理. 印刷电子 印刷电子可用于半导体、太阳能电池、服装、产品标签、薄膜等领域,以后还 适用于建筑、汽车等领域. 冯瑞华 编译自 http://www.luxresearchinc.com/images/stories/Press_Releases/RELEASE_Printed_Electronic_10_16_ 12.htm 检索日期:2012 年10 月29 日9BASF 与TenCate 开发车用热塑性复合材料 全球汽车行业正面临提高燃料效率的需求,轻量化材料在汽车上的应用将是提 高燃料效率的关键.复合材料已开始应用于汽车行业,但原始设备制造商及供应商 仍在寻找帮助实现大批量生产和加工需求的方法.10 月25 日,德国大型化工企业 巴斯夫(BASF)宣布与荷兰昙卡先进复合材料公司(TenCate Advanced Composites) 结成战略联盟,双方将合作大规模开发、生产汽车用热塑性复合材料,并将其推向 市场. 根据协议,双方将各自的优势进行互补:BASF将利用其在热塑性树脂方面的专 业技术, 开发出Ultramid? (尼龙) 、 Ultradur? (聚对苯二甲酸丁二醇酯) 以及Ultrason? (聚醚砜)产品线的特殊变体;昙卡先进复合材料公司则利用其在飞机结构和内饰 件的热塑性复合材料方面的丰富经验,提供复合材料制造先进技术. 黄健编译自 http://www.basf.com/group/pressrelease/P-12-482 检索日期:2012 年10 月31 日 研究进展 新膀胱癌纳米粒子药物输送系统 美国加州大学戴维斯分校血液学与肿瘤学专业副教授 Chong-Xian Pan 研究组最 近开发出一种新型的、多功能纳米治疗体系,可以有效地、选择性地为膀胱肿瘤输 送诊断与治疗所用的药物. 这种药物输送体系包括专门设计的纳米粒子,能把抗癌药物紫杉醇靶向输送到 肿瘤部位,输送药物的量达到膀胱癌晚期最大药物标准耐受量的 3 倍,能够更有效 的控制癌症而不增加毒性.研究中使用的纳米粒子是由加州大学戴维斯分校的生物 化学与分子医学系 Kit Lam 研究组开发的.这种输送体系同样也成功的用于了输送 影像学检查的染料,因此,也有望用于肿瘤诊断. 相关研究工作发表在 Nanomedicine 上 (文章标题: Tumor-targeting multifunctional micelles for imaging and chemotherapy of advanced bladder cancer) . 王桂芳 编译自 http://www.ucdmc.ucdavis.edu/publish/news/newsroom/7104 检索日期:2012 年10 月26 日10 美改进稀土材料回收工艺 美国能源部艾姆斯国家实验室稀土回收项目负责人 Ryan Ott 等正努力更有效地从磁铁等材料中回收稀土元素钕.初步 结果显示再生稀土材料保持了制备稀土磁体的性能. 稀土类磁体废料在装有 熔融镁的炉中熔化 该研究建立在艾姆斯实验室数十年的稀土加工经验基础 上.在20 世纪 90 年代,艾姆斯实验室开发出了利用熔融镁 从钕铁硼磁铁废品中回收稀土材料的技术,但当时主要是生 产镁和钕的混合合金,因为钕能够为合金带来较高的强度, 这比起分离出高纯的稀土元素更有价值,并且当时稀土价格 低.但是 2009 年和 2011 年间,稀土供应出现问题,稀土价 格增加了 10 倍.因此,稀土元素回收研究成为重要目标. 现在的目标是回收稀土制造新的磁体合金,以期达到与采用第一次加工生产的 稀土元素生产的磁性合金类似的性能.Ryan Ott 等采用了结烧并未覆盖保护层的稀 土磁体,含有钕、镨和镝三种稀土元素,将磁体进行破碎直到碎片达到 2-4 毫米的 大小.然后将碎片放进不锈钢坩埚中,同时在里面加入固态的镁块,并用射频炉对 其进行加热.镁逐步融化,而磁体则仍然表现为固态.这时磁体中的稀土元素开始 融化离开磁体合金进入熔融态镁中,铁和硼则留了下来.镁和稀土的混合物被浇铸 成锭进行冷却,随后将镁去除,留下稀土元素.实验结果如果一旦进入工业领域, 将有效减少对原生稀土的需求. 冯瑞华 编译自http://www.ameslab.gov/news/news-releases/reclaiming-rare-earths 检索日期:2012 年10 月30 日 储能用新型水电解质电池 斯坦福大学线性加速器中心国家加速器实验室 Yi Cui 研究组开发出一种安全、 快速、廉价的水电解质电池,这种电池把钾离子插入到铜的六氰基铁酸盐中作阴极, 而采用新的活性炭/聚吡咯作为阳极.能够快速高效的充电与放电,在5℃条件下充 放电时,效率达到 95%;在50℃条件下充放电时,效率达到 79%.而且经过 1000 次深放电循环后,容量没有损失. 相关研究工作发表在 Nature 上 (文章标题: A high-rate and long cycle life aqueous electrolyte battery for grid-scale energy storage) . 王桂芳 编译自 http://www6.slac.stanford.edu/news/2012-10-24-grid-battery.aspx http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n10/full/ncomms2139.html 检索日期:2012 年10 月26 日11 新型纯铜焊接材料问世 美国洛克希德·马丁空间系统先进技术中心创新性地使用纳米技术开发出一种 基于铜材料的新型焊接材料——CuantumFuse?,可在 200℃左右进行加工处理,其 热导率和导电率比目前使用的锡材料提高 10 倍. 此外,该焊接材料几乎完全采用铜材料,不含有毒物质铅.为了保护公众健康, 欧盟于 2006 年采用了无铅焊接标准,随后美国的几个州(加州、纽约州等)也跟着 执行了无铅标准.目前无铅焊接材料主要是锡银铜的混合物,在消费电子行业领域 已经证明是可行的.但是存在着一系列问题,如加工温度高导致成本上升、锡须可 能导致短路、质量不可靠,而这些问题在军工、航空、医疗等特殊领域几乎是不可 忍受的. 为了解决这个问题,研究人员没有继续探索新的焊接材料各金属成分,而是在 焊接材料的微观结构上下功夫, 通过利用铜材料在纳米粒子形式下熔点降低的原理, 成功开发了纯铜焊接材料. 黄健编译自http://www.lockheedmartin.com/us/news/press-releases/2012/october/1024-ss-atc.html 检索日期:2012 年10 月31 日IBM 推进碳纳米管芯片研究 IBM的研究人员利用离子交换化学理论研究出能够在基板上精确可控地有序放 置大量碳纳米管(约为 10 亿个/cm2 )的新方法,并成功在一块芯片上集成了 1 万多 个CNT晶体管.这一制造工艺向着替代硅半导体的方向又迈进了一步. 研究人员首先在CNT溶液中加入表面活性剂——十二烷基硫酸钠(SDS) ,然后 用色谱分析技术将半导体型CNT从CNT溶液中分离出来.然后在硅晶圆基板上先形 成10 nm的二氧化铪 (HfO2) 薄膜, 再沉积 5-10 nm的SiO2层作为掩模版, 掩模层SiO2 刻有大量沟槽,露出下方的HfO2 层.在用4-(N-hydroxycarboxamido)-1- methylpyridinium iodide(NMPI)溶液处理裸露的HfO2沟槽部分后,再将CNT溶液涂 到基板上, NMPI就会与SDS溶液发生离子交换作用, 将SDS固定在沟槽内. 由于CNT 缠绕在SDS后,经热处理后CNT就会附着于沟槽内,覆盖上钯电极后就形成了CNT 晶体管. 由于沟槽宽度很窄,约70-200 nm,因此 CNT 在沟槽内方向统一.这种方法兼 容传统半导体制造工艺,能够制造大规模 CNT 晶体管.对于替代日渐走向物理极限 的硅晶体管而言,这项研究迈出了重要一步. 姜山编译自http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/39250.wss 检索日期:2012 年10 月28 日12 版权及合理使用声明 中国科学院国家科学图书馆《科学研究动态监测快报》 (简称《快报》 )遵守国家知识产权法的规定,保护知识产权,保障著作权人的合 法利益,并要求参阅人员及研究人员认真遵守中国版权法的有关规定. 用于读者个人学习、研究目的的单篇信息报道稿件的使用,应注明版权 信息和信息来源.未经中国科学院国家科学图书馆同意,严禁将《快报》 用于任何商业或其他营利性用途,院内外各单位不能以任何方式整期转 载、链接或发布相关专题的《快报》 .如需要链接、整期发布或转载相 关专题的《快报》内容,应向中国科学院国家科学图书馆发送正式的需 求函,说明其用途,征得同意,并与国家科学图书馆签订协议.中国科 学院国家科学图书馆总馆网站发布所有专题的《快报》 ,国家科学图书 馆各分馆网站发布各相关专题的《快报》 . 欢迎对中国科学院国家科学图书馆《科学研究动态监测快报》提出 意见与建议. 中国科学院国家科学图书馆 National Science Library of Chinese Academy of Sciences 《科学研究动态监测快报》 《科学研究动态监测快报》 (以下简称系列《快报》 )是由中国科学院国家科学图书馆总馆、 兰州分馆、成都分馆、武汉分馆以及中科院上海生命科学信息中心编辑出版的科技信息报道类 半月快报刊物,由中科院基础科学局、资源环境科学与技术局、生命科学与生物技术局、高技 术研究与发展局、规划战略局等中科院专业局、职能局或科技创新基地支持和指导,于2004 年12 月正式启动,每月 1 日和 15 日出版.2006 年10 月,国家科学图书馆按照统一规划、系统布 局、分工负责、整体集成的思路,按照中科院 1+10 科技创新基地,重新规划和部署了系列《快报》 .系列《快报》的重点服务对象一是中科院领导、中科院专业局职能局领导和相关管理人员; 二是中科院所属研究所领导及相关科技战略研究专家;三是国家有关科技部委的决策者和管理 人员以及有关科技战略研究专家.系列《快报》内容力图恰当地兼顾好科技决策管理者与战略 科学家的信息需求,报道各科学领域的国际科技战略与规划、科技计划与预算、科技进展与动 态、科技前沿与热点、重大研发与应用、科技政策与管理等方面的最新进展与发展动态. 系列 《快报》 现分 13 个专辑, 分别为由中科院国家科学图书馆总馆承担的 《基础科学专辑》 、 《现代农业科技专辑》 、 《空间光电科技专辑》 、 《科技战略与政策专辑》 ;由兰州分馆承担的《资 源环境科学专辑》 、 《地球科学专辑》 、 《气候变化科学专辑》 ; 由成都分馆承担的 《信息科技专辑》 、 《先进工业生物科技专辑》 ;由武汉分馆承担的《先进能源科技专辑》 、 《先进制造与新材料科技 专辑》 、 《生物安全专辑》 ;由上海生命科学信息中心承担的《生命科学专辑》 . 编辑出版:中国科学院国家科学图书馆 联系地址:北京市海淀区北四环西路 33 号(100190) 联系人:冷伏海 王俊 电话:010-62538705 62539101 电子邮件:lengfh@mail.las.ac.cn;wangj@mail.las.ac.cn 先进制造与新材料科技专辑 联系地址:湖北省武汉市武昌区小洪山西区 25 号(430071) 联系人:万勇 冯瑞华 电话:027-87199180 电子邮件:jiance@mail.whlib.ac.cn
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中国科学院国家科学图书馆 科学研究动态监测快报 2012 年11 月1日第21 期(总第 163 期) 先进制造与新材料科技专辑 本期重点 石墨烯制备与应用路线图 英国重视添加制造技术开发 2017 年印刷电子关键材料市场将达 26 亿美元 美国改进稀土材料回收工艺 IBM 向碳纳米管芯片迈出第一步 中国科学院高技术研究与发展局中国科学院规划战略局中国科学院国家科学图书馆武汉分馆中国科学院国家科学图书馆武汉分馆 武汉市武昌区小洪山西区 25 号 邮编:430071 电话:027-87199180 电子邮件:jiance@mail.whlib.ac.cn 先进制造与新材料科技专辑 2012 年第 21 期 (总第 163 期) 目录专题石墨烯制备与应用路线图.1 政策计划 报告认为英应加紧制定 3D打印相关政策.8 英投入 700 万英镑开发添加制造技术.8 行业动态 2017 年印刷电子关键材料市场将达 26 亿美元.9 BASF与TenCate开发车用热塑性复合材料.10 研究进展 新膀胱癌纳米粒子药物输送系统.10 美改进稀土材料回收工艺.11 储能用新型水电解质电池.11 新型纯铜焊接材料问世.12 IBM推进碳纳米管芯片研究.12 出版日期:2012 年11 月1日专题石墨烯制备与应用路线图 编者按:自从 2004 年英国曼彻斯特大学研究人员利用"撕胶带法"发现石墨 烯以来,这种二维材料一直是材料和物理学界研究的热点之一.近年来,各国研究 人员已取得了大量的研究突破,在大规模制备方面也获得了重大的进展.这种单原 子厚度的碳材料具有极强的机械强度、超高的导电和导热性、气密性,以及其他性 质, 这些使得许多应用领域都在关注这种材料. 本期专题在相关综述文献的基础上, 简要介绍了石墨烯研究以及制备方法开发方面的一些新进展, 并对石墨烯的各种应 用的可行性进行了辩证地分析. 石墨烯是人们所能获得的第一个二维原子晶体,诸如机械硬度、强度与弹性、 导电及导热等性质都是超强的.这使石墨烯很有可能替代现有众多应用领域中的其 他材料,所有这些极端的性质都集中在一种材料中,就意味着石墨烯有望推动几项 革命性的技术:集成了透明性、传导性和弹性,石墨烯或将用于柔性电子器件;集 成了透明性、气密性和传导性,石墨烯又或将用于透明保护涂层或阻挡层;这些性 质的组合还在不断地增多.但是,转变到一种新的技术往往是一个花费时间和财力 的过程,石墨烯是否真的可以证明这样的转变是可行的? 一 石墨烯性质 石墨烯的研究进展如此之快,一大原因就是在实验室可以通过相对简单、廉价 的途径制得高品质的石墨烯.实验条件下测得的石墨烯性质超过了其他任何材料, 甚至一些达到了理论预测极限:室温下的电子迁移率为 2.5*105 cm2 V-1 s-1 (理论极限 约为 2*105 cm2 V-1 s-1 ) ; 杨氏模量为 1 TPa, 固有强度 130 GPa (非常接近理论预测值) ; 非常高的热传导性(大于 3000 W mK-1 ) ;光吸收πα≈2.3%(针对红外,式中α为精细 结构常数) ;任何气体完全不能透过;能够维持极高的电流密度(是铜的 100 万倍) . 石墨烯还有一个已被验证的性质,那就是易被化学修饰. 正是这些出众的性质,使石墨烯获得了"神奇材料" (miracle material)的雅称. 然而,仅有高品质的样品(如机械剥离制得的石墨烯)以及六边形 BN 等特定衬底 上沉积的石墨烯方可获得这些性质.迄今为止,通过其他一些方法得到的石墨烯尚 未具备这些超强的性质,尽管这些方法正在不断得以改进.一旦大规模制备的石墨 烯具备了与实验室里最佳试样相同的性质,产业化应用的春天就不远了. 二 制备方法的挑战 从本质上来说,石墨烯的应用市场是由具有特定性质的石墨烯的制备工艺推动 1 的,这种局面或还将维持若干年的时间,或者说,至少到石墨烯的各种潜在应用都 符合了各自的需求.当前,制备各种维度、形状和品质的石墨烯的方法有很多,以 下仅讨论那些有望进行产业升级的方法. 可以根据得到的石墨烯的品质(进而是可能的应用) ,进行如下分类: (1)石墨 烯或还原的石墨烯氧化物薄片,用于复合材料、导电涂料等; (2)平面石墨烯,用 于低活性或无活性器件; (3)平面石墨烯,用于高性能电子器件.各种等级的石墨 烯的性质非常依赖于其品质、缺陷类型、衬底等,而这些又受到制备方法的影响很 大.以下图 1 和表 1 对此进行了一些小结. 图1几种大批量制备石墨烯方法的比较 表1不同方法制备的石墨烯的性质比较 方法 晶体大小 (μm) 试样大小 (mm) 载流子迁移率 (环境温度) (cm2 V-1 s-1 ) 应用 机械剥离 >1000 >1 >2*105 且>106 (低温下) 研究 化学剥离 ≤0.1 作为层叠薄片的一层,无限 100 (对于层叠薄 片的一层) 涂层、涂料/墨水、复合 物、透明导电层、储能、 生物应用 石墨烯氧化物化学 剥离 ~100 作为层叠薄片的一层,无限 1 (对于层叠薄片 的一层) 涂层、涂料/墨水、复合 物、透明导电层、储能、 生物应用 CVD 1000 ~1000 10000 光子、纳米电子、透明 导电层、传感器、生物 应用 SiC 50 100 10000 高频晶体管及其他电子 器件 2 以CVD 方法为例. 该方法有以下不足: 一般需要从铜基转移至电介质表面或其 他衬底,加之能耗较大,工艺成本较高;得到的石墨烯往往存在缺陷、晶界、夹杂 厚层等.CVD 法制备石墨烯在被广泛使用之前,尚有一些问题需要解决.例如,石 墨烯能在几十纳米的金属薄层上生长,同时控制晶粒尺寸、波纹、掺杂程度以及层 数等.改进转移过程,使得对石墨烯的损伤最小,并能使金属循环使用. 转移过程与生长过程一样复杂,因而出现了一些依赖于石墨烯在金属表面共形 生长的应用,此时无需去除金属衬底.例如,石墨烯是各种气体的优良屏障,在金 属表面形成一层共形层,可使金属抵御腐蚀. 一旦石墨烯能够在各种衬底表面上、低温环境下(如等离子体 CVD 等)生长, 并且使缺陷最少,这将会是重大的突破.若能利用各种表面,就可避免步骤复杂、 成本高昂的转移过程,改善石墨烯与 Si、GaAs 等的耦合.低温环境则能提高石墨烯 与现代微电子技术的兼容性,并极大地节约能源. SiC 方法的两大缺点在于 SiC 晶片的高成本以及所使用的高温(高于 1000℃) . 短期内看,高温问题难以得到解决.此外,消除叠层、提高晶粒尺寸、控制来自衬 底和缓冲层的掺杂也是将来需要克服的技术问题. 尽管当前还有大量其他的制备方法,但在未来十年投入商业化难度较大.然而, 仍有一些方法值得关注.单分子层前驱物与线性聚亚苯基的表面辅助耦合,然后再 进行环化脱氢,这是制备高品质石墨烯纳米带甚至更复杂的结构(如T型、Y 型连 接)的自下而上的新方法.分子束外延生长可用于制备化学纯石墨烯,但其成本高 于CVD 方法. 激光消融技术则可将石墨烯纳米薄片沉积在各种表面上, 该方法与化 学剥离石墨烯的喷涂技术形成正面竞争,也不会广泛使用. 三 石墨烯的应用 1 电子器件 石墨烯由于没有带隙,因此不太可能在未来的十年内作为沟道材料被应用于高 性能集成电路当中.不过,许多其他的要求较低的石墨烯电子应用正在开发当中. 石墨烯具有超高的载流子迁移率和极薄的物理厚度,因此在柔性电子器件、高频晶 体管和逻辑晶体管领域有一定发展潜力. 触摸显示屏、电子纸(e-paper)和有机发光二极管等电子器件中,广泛使用了 透明导电涂层材料,这种材料需要较低的薄膜电阻和较高的透光率.石墨烯满足电 性能和光性能方面的需求,并且单层透光率达到了 97.7%,不过传统的铟锡氧化物 (ITO)在这些特性方面表现得比石墨烯仍然略胜一筹,但考虑到石墨烯性能日渐 改善,而ITO 将会越来越昂贵,石墨烯材料仍然不失为一种良好的替代选择.除此 之外,石墨烯还具有出色的柔韧性和化学稳定性,这对于柔性电子器件而言相当重 要特质是 ITO 不具备的.触摸屏、电子纸以及可折叠 OLED 等的石墨烯原型产品预 3 计要到 2014-2016 年才会面世. 石墨烯在高频晶体管上的应用也展开了广泛的研究,不过它仍面临与更成熟的 技术如化合物半导体的竞争,因此石墨烯在高频晶体管上的实际使用可能要到 2021 年以后,届时化合物半导体将无法满足器件的需要(截止频率fT=850 GHz,最大振 荡频率fmax=1.2 THz) . 不过当前报道的石墨烯fT仅300GHz, 普通石墨烯结构的fmax仅30 GHz. 在逻辑晶体管中,硅技术仍然具有一定发展潜力,由于没有带隙,石墨烯若要 替代目前的硅技术,可能必须等到 2020 年之后. 图2列出了部分可能的石墨烯电子应用以及原型示范时间节点. 图2石墨烯电子应用时间节点 表2石墨烯电子应用 应用 优势 需解决的问题 触摸屏 石墨烯具有比标准材料更好的耐久度 需要更好地控制石墨烯的接触电阻,降 低薄膜电阻 电子纸 单层石墨烯具有很好的透光率 需要更好地控制接触电阻 可折叠OLED 石墨烯可弯性低于 5 mm;石墨烯的功能 可调性能够改善 OLED 的效率; 其原子级 的平滑表面可以帮助避免短路和漏电 需要更好地控制接触电阻,降低薄膜电 阻,以及实现三维结构的同形覆盖 高频晶体管 (根据 2011 版ITRS 路线图)2021 年后, 将没有可用于 InP 高电子迁移率晶体管 (低噪)的制造解决方案 需要达到电流饱和,以及达到截止频率 fT=850 GHz,最大振荡频率fmax=1.2 THz 逻辑晶体管 高载流子迁移率 需要构建新的石墨烯结构,解决带隙与 迁移率之间的平衡问题,并达到高于 106 的截止/导通比 2 光子学 电子在石墨烯中表现出的行为是一种无质量的二维粒子,这使其对于光子能量 低于 3 eV 的正入射光具有非常明显的与波长无关的吸收能力.此外,由于泡利阻塞 效应,当光子能量在低于 2 倍费米能级时,单层和双层石墨烯的将会完全透明.石 墨烯的这些性质适合于制造可控式光器件. 4 石墨烯光探测器是目前研究最活跃的光器件之一.相比半导体光探测器,石墨 烯的光谱范围相当广,从红外到紫外都可探测.石墨烯的另一优势是高频工作带宽, 理论上达到 1.5 THz,实际极值为 640 GHz,这使其很适合高速数据通信.带隙的缺 失使石墨烯光探测器需要一种特别的载流子拉出模式.由于石墨烯过薄,有效探测 面积小,使其光吸收能力较弱,最大响应度很低.考虑锗光探测器的最大工作带宽, 石墨烯光探测器可能要到 2020 年以后才具有竞争力. 硅基光调制器的工作带宽很窄,大约仅 50 GHz,而石墨烯能够吸收很广的光谱 范围,响应速度极高,能够有效提高光调制器的性能,可能实现高于 50 GHz 的工作 带宽,不过相关成果可能要到 2020 年以后才会出现. 图3石墨烯在光子器件应用上实现实际应用的可能时间节点. 表3石墨烯光子应用 应用 优势 需解决的问题 可调谐光 纤锁模激 光器 石墨烯具有很宽频谱范围 需要低本高效的石墨烯转移技术 固态锁模 激光器 石墨烯饱和吸收体比较廉价并且容易与激 光系统整合 需要低本高效的石墨烯转移技术 光探测器 石墨烯能够提供 640GHz 的波长带宽(片- 片或片内通信) 需要增加响应度, 这需要开发新的石墨 烯结构或进行掺杂控制, 并且调制器带 宽也要做相应变化 偏振控制 器 当前偏振控制器体积很大,或难以集成, 石墨烯具有体积小,能够与硅集成等优点 需要得到高质量石墨烯, 并且能够完全 控制其各项参数 光调制器 石墨烯能够提高工作速率,避免复杂的 III-V 族半导体外延生长 需要得到具有较低薄膜电阻的高质量 石墨烯, 使其工作带宽提高到 100 GHz 以上 隔离部件 石墨烯能够在硅衬底上做出很小的隔离部 件 对这类产品而言需要降低磁场强度并 优化工艺结构 被动锁模 半导体激 光器 石墨烯饱和吸收体可以提供大于50个波长 的密集波分复用光纤互连,这一点是激光 阵列无法做到的 竞争对手是主动锁模半导体激光器和 锁模外腔激光器 5 显微镜等仪器中使用的声光锁模激光器,通常使用饱和吸收体选择性发射高强 度光来进行亮度调制.与传统半导体饱和吸收体相比,石墨烯单位厚度可以吸收大 量的光子,可以在很广的光谱范围内在较低强度下达到饱和,而且具有超快载流子 弛豫时间、可控调制深度、高热导率等优点,而且只需要面积很小的石墨烯就可以 实现,因此石墨烯在该领域的商业化在 2020 年以前就能够实现. 在传感器、医学成像仪器中常用的太赫兹发生器应用中,近期研究考虑采用飞 秒激光脉冲激发单层石墨烯或多层石墨来产生载流子,不过这种方法产生的强度比 III-V 族半导体光导天线弱了 3-4 个数量级.因此实际的石墨烯太赫兹发生器可能要 到2030 年才能实现. 光学偏振控制器如偏振器、偏振旋转器是控制光子偏振属性的重要部件.如果 使用石墨烯,必须使用高质量、毫米尺寸的石墨烯,与光纤等其他部件集成在混合 器件中共同工作,因此相关的石墨烯应用最早也要等到 2020 年才能实现. 3 复合材料 由于石墨烯的机械、化工、电子、阻隔性能以及高的纵横比,在复合材料中的 应用中具有很强的吸引力.但纯石墨烯与碳纤维基体可能不具有粘合性,将需要对 石墨烯进行化学修饰.对于聚合物基体的环境,石墨烯可以起到气阻、湿阻、电子 屏蔽、导热、导电、应变检测的作用,因此可以提高复合材料的操作温度、减少湿 气的吸入、减少抗静电行为、保护复合材料免受雷击、提高耐压强度等.石墨烯基 复合材料市场是近几年才出现的新市场, 真正的突破需要等到石墨烯薄片达到 10 微 米且容易制备. 4 能源 石墨烯被寄予厚望的应用实例之一是转换效率非常高的新一代太阳能电池,如 量子点、染料敏化太阳电池等.展望其今后的应用领域,首先是透明导电膜领域, 其次是中间电极等领域.石墨烯具有非常高的载流子迁移率,因此即使载流子密度 非常小,也能确保一定的导电率.有机薄膜太阳能电池是最接近石墨烯实用化的应 用之一,在太阳能电池中使用石墨烯作为中间电极的优点是透明且与半导体层的相 容性较高.石墨烯中电子和空穴的载流子迁移率相等,既有 n 型又有 p 型,而原来 的中间电极一般重叠使用 n 型和 p 型两种材料,因此石墨烯仅需一层就能替代原来 的材料. 石墨烯应用于新一代锂离子电池也得到了广泛的研究,添加石墨烯和碳黑的电 极可以提高阴极的导电性,还可以解决锂离子电池的局限性——低的比功率密度. 石墨烯高的热导电性有利于在电池系统产生大量的热.石墨烯片作为阳极可植入锂 中形成层状晶体. 石墨烯具有高的室温电导率、导热系数,石墨烯片之间形成的微孔结构利于电 6 解液的渗透和电子的传输,因而被认为是超级电容器理想的电极材料.石墨烯可作 为超级电容器的电极,石墨烯与金属氧化物、导电聚合物、碳纳米管等复合形成石 墨烯复合材料用于电极. 5 传感器 石墨烯对一些酶呈现出优异的电子迁移能力,对一些小分子具有良好的催化性 能,是其适合做基于酶的生物传感器,即葡萄糖传感器和乙醇生物传感器.基于石 墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上,比碳纳米管更有优势,因此石墨 烯电化学传感器性能更优越,石墨烯还可以对 DNA 电化学传感器进行修饰.石墨 烯传感器具有多种功能,可以检测应力、环境气体、压力、磁场等.石墨烯在传感 器领域的应用还包括分子传感器、气体探测器等.与传统 CCD 或CMOS 传感器相 比,石墨烯传感器还更容易制造、更小,且更薄. 6 生物 石墨烯在生物领域也有很多潜在应用.石墨烯表面积大、化学纯度高、功能实 现便捷,因此在药物传输方面具有重要应用.石墨烯优良的机械性能使其用于组织 工程和再生医学领域.石墨烯具有超级薄、高导电性、高强度等,成为透射电子显 微镜下生物分子成像的理想支撑材料.石墨烯优良的化学性能使其成为超快和超灵 敏的检测器件,可用于检测众多的生物分子,如葡萄糖、胆固醇、血红蛋白、DNA 等.石墨烯在生物领域广泛应用前,还必须充分了解石墨烯在制备等一些列过程中 的生物分布性、生物相容性、急性与慢性毒性等. 四 结语 物理学家曾经将石墨烯想成一种完美的碳原子二维晶格.然而,随着新技术路 径的发现,研究范例也发生了转移:即便是不完美的石墨烯也能够得到应用.实际 上,不同的应用需要不同品质的石墨烯,这使石墨烯材料更容易迈向实际应用.由 于当前石墨烯应用市场由这种材料的生产情况决定,因此这类应用需要多久才能到 达消费者手中有了一个明晰等级区别.那些使用最低等级、最便宜和最易获取的材 料将会在数年内首先面世,而那些高品质或者具有生物相容性的应用可能需要数十 年来开发.此外,由于近几年石墨烯的相关开发非常迅速,石墨烯的性质得到了持 续改良.尽管如此,只有在石墨烯的性质足够吸引人,能够转换成具有足够竞争力 的实际应用的时候,才能够取代目前的标准材料. 石墨烯是一种非常独特的晶体,它集众多超级性能于一身,这意味着其能力只 有在为其量身订造的新型应用中才能发挥得淋漓尽致.在不远的将来,随着各种新 技术,例如可打印电子器件、柔性电子器件、柔性太阳电池和超级电容器等的出现, 石墨烯将展现出其巨大的潜能. 姜山万勇冯瑞华 编译 7 政策计划 报告认为英应加紧制定 3D 打印相关政策 10 月16 日,英国Big创新中心1 发布题为《三维政策:为何英国需要制定 3D打 印政策》 (Three dimensional policy: why Britain needs a policy framework for 3D printing)的报告.该报告认为,3D打印技术会使制造业工作机会回流英国,降低生 产造成的环境影响,并为消费者提供相当大的自由选择权;不过同时,这种技术也 会对英国的法律框架造成冲击. 报告指出,政府应该快速行动,引入更具弹性的知识产权体系,并为发明者和 设计者制定激励机制,不过也要进行监管,防止 3D 打印技术被用于生产枪支和非 法物品. 报告撰写人 Andrew Sissons 说: "3D 打印将扫除因特网和真实世界之间的障碍, 而法律也不再能够将二者简单地区分开来".他认为,政策制定者应该从音乐产业 中吸取教训,在该产业中,政府强制执行过时的产权法案,而不是推动创新.而3D 打印推动的制造业的重要性远比音乐产业重要得多,也具有更深远的影响力,如果 忽略这些问题将带来政府无法承受的风险.另一名报告撰写人认为,3D 打印技术的 潜在经济影响是巨大的,3D 打印将在设计、零售和数字产业方面发挥作用. 报告还对 3D 打印的未来市场进行了预测,描绘出未来这一技术将如何在家庭、 商店和工厂中得到利用并造成影响. 报告下载地址:http://www.biginnovationcentre.com/Assets/Docs/Reports/3D%20p rinting%20paper_FINAL_15%20Oct.pdf. 姜山编译自 http://www.theengineer.co.uk/policy-and-business/news/report-reveals-urgent-need-for-3d-printing-pol icy-for-designers/1014263.article 检索日期:2012 年10 月29 日 英投入 700 万英镑开发添加制造技术 10 月22 日,英国大学与科学部长戴维·威利茨(David Willetts)宣布将投入 700 万英镑以推进添加制造技术的研究与开发.本次资助将由英国技术战略委员会 (TSB) 、工程与自然科学研究理事会(EPSRC) 、艺术与人文研究理事会(AHRC) 以及经济与社会研究理事会(ESRC)共同管理. 这项名为"激励添加制造中的新设计自由" (Inspiring New Design Freedoms in 1 Big创新中心是英国著名智囊组织"工作基金会"与兰开斯特大学共同成立的政策咨询机构,致力于将英国打 造成世界一流的创新中心. 8 Additive Manufacturing)的公开竞争将于 12 月3日正式启动,主要关注于能够快速 制造部件和用户定制产品的添加制造技术,并使之快速进入市场.其最终目标是帮 助英国企业加速对添加制造技术的应用,克服现有的技术障碍,并尝试探索新的商 业模式. 黄健编译自 http://www.innovateuk.org/content/competition/inspiring-new-design-freedoms-in-additive-manufact.ashx 检索日期:2012 年10 月30 日 行业动态 2017 年印刷电子关键材料市场将达 26 亿美元 Lux 研究报告《油墨货币市场:印刷电子材料前景》 (Inking Money: The Prospects for Materials in Printed Electronics)指出,在降低成本的驱动下,2017 年导电 油墨和浆料、新透明导电膜、半导体油墨等印刷电子材 料市场将增长至 26 亿美元. 不透明导电油墨市场将从 2012 年的 14 亿美元增长 至2017 年的 24 亿美元,其中医疗和 RFID 应用将是增 长最快的领域.然而,银浆仍然占据主导地位,其他材 料与太阳能应用相关.透明导电薄膜将取代铟锡氧化物,广泛应用于触摸屏,将增 长至 7.05 亿美元,其中 1.12 亿美元市场来自油墨.印刷半导体到 2017 年将增长到 6800 万美元,率先应用于 OLED 发光材料解决方案处理. 印刷电子 印刷电子可用于半导体、太阳能电池、服装、产品标签、薄膜等领域,以后还 适用于建筑、汽车等领域. 冯瑞华 编译自 http://www.luxresearchinc.com/images/stories/Press_Releases/RELEASE_Printed_Electronic_10_16_ 12.htm 检索日期:2012 年10 月29 日9BASF 与TenCate 开发车用热塑性复合材料 全球汽车行业正面临提高燃料效率的需求,轻量化材料在汽车上的应用将是提 高燃料效率的关键.复合材料已开始应用于汽车行业,但原始设备制造商及供应商 仍在寻找帮助实现大批量生产和加工需求的方法.10 月25 日,德国大型化工企业 巴斯夫(BASF)宣布与荷兰昙卡先进复合材料公司(TenCate Advanced Composites) 结成战略联盟,双方将合作大规模开发、生产汽车用热塑性复合材料,并将其推向 市场. 根据协议,双方将各自的优势进行互补:BASF将利用其在热塑性树脂方面的专 业技术, 开发出Ultramid? (尼龙) 、 Ultradur? (聚对苯二甲酸丁二醇酯) 以及Ultrason? (聚醚砜)产品线的特殊变体;昙卡先进复合材料公司则利用其在飞机结构和内饰 件的热塑性复合材料方面的丰富经验,提供复合材料制造先进技术. 黄健编译自 http://www.basf.com/group/pressrelease/P-12-482 检索日期:2012 年10 月31 日 研究进展 新膀胱癌纳米粒子药物输送系统 美国加州大学戴维斯分校血液学与肿瘤学专业副教授 Chong-Xian Pan 研究组最 近开发出一种新型的、多功能纳米治疗体系,可以有效地、选择性地为膀胱肿瘤输 送诊断与治疗所用的药物. 这种药物输送体系包括专门设计的纳米粒子,能把抗癌药物紫杉醇靶向输送到 肿瘤部位,输送药物的量达到膀胱癌晚期最大药物标准耐受量的 3 倍,能够更有效 的控制癌症而不增加毒性.研究中使用的纳米粒子是由加州大学戴维斯分校的生物 化学与分子医学系 Kit Lam 研究组开发的.这种输送体系同样也成功的用于了输送 影像学检查的染料,因此,也有望用于肿瘤诊断. 相关研究工作发表在 Nanomedicine 上 (文章标题: Tumor-targeting multifunctional micelles for imaging and chemotherapy of advanced bladder cancer) . 王桂芳 编译自 http://www.ucdmc.ucdavis.edu/publish/news/newsroom/7104 检索日期:2012 年10 月26 日10 美改进稀土材料回收工艺 美国能源部艾姆斯国家实验室稀土回收项目负责人 Ryan Ott 等正努力更有效地从磁铁等材料中回收稀土元素钕.初步 结果显示再生稀土材料保持了制备稀土磁体的性能. 稀土类磁体废料在装有 熔融镁的炉中熔化 该研究建立在艾姆斯实验室数十年的稀土加工经验基础 上.在20 世纪 90 年代,艾姆斯实验室开发出了利用熔融镁 从钕铁硼磁铁废品中回收稀土材料的技术,但当时主要是生 产镁和钕的混合合金,因为钕能够为合金带来较高的强度, 这比起分离出高纯的稀土元素更有价值,并且当时稀土价格 低.但是 2009 年和 2011 年间,稀土供应出现问题,稀土价 格增加了 10 倍.因此,稀土元素回收研究成为重要目标. 现在的目标是回收稀土制造新的磁体合金,以期达到与采用第一次加工生产的 稀土元素生产的磁性合金类似的性能.Ryan Ott 等采用了结烧并未覆盖保护层的稀 土磁体,含有钕、镨和镝三种稀土元素,将磁体进行破碎直到碎片达到 2-4 毫米的 大小.然后将碎片放进不锈钢坩埚中,同时在里面加入固态的镁块,并用射频炉对 其进行加热.镁逐步融化,而磁体则仍然表现为固态.这时磁体中的稀土元素开始 融化离开磁体合金进入熔融态镁中,铁和硼则留了下来.镁和稀土的混合物被浇铸 成锭进行冷却,随后将镁去除,留下稀土元素.实验结果如果一旦进入工业领域, 将有效减少对原生稀土的需求. 冯瑞华 编译自http://www.ameslab.gov/news/news-releases/reclaiming-rare-earths 检索日期:2012 年10 月30 日 储能用新型水电解质电池 斯坦福大学线性加速器中心国家加速器实验室 Yi Cui 研究组开发出一种安全、 快速、廉价的水电解质电池,这种电池把钾离子插入到铜的六氰基铁酸盐中作阴极, 而采用新的活性炭/聚吡咯作为阳极.能够快速高效的充电与放电,在5℃条件下充 放电时,效率达到 95%;在50℃条件下充放电时,效率达到 79%.而且经过 1000 次深放电循环后,容量没有损失. 相关研究工作发表在 Nature 上 (文章标题: A high-rate and long cycle life aqueous electrolyte battery for grid-scale energy storage) . 王桂芳 编译自 http://www6.slac.stanford.edu/news/2012-10-24-grid-battery.aspx http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n10/full/ncomms2139.html 检索日期:2012 年10 月26 日11 新型纯铜焊接材料问世 美国洛克希德·马丁空间系统先进技术中心创新性地使用纳米技术开发出一种 基于铜材料的新型焊接材料——CuantumFuse?,可在 200℃左右进行加工处理,其 热导率和导电率比目前使用的锡材料提高 10 倍. 此外,该焊接材料几乎完全采用铜材料,不含有毒物质铅.为了保护公众健康, 欧盟于 2006 年采用了无铅焊接标准,随后美国的几个州(加州、纽约州等)也跟着 执行了无铅标准.目前无铅焊接材料主要是锡银铜的混合物,在消费电子行业领域 已经证明是可行的.但是存在着一系列问题,如加工温度高导致成本上升、锡须可 能导致短路、质量不可靠,而这些问题在军工、航空、医疗等特殊领域几乎是不可 忍受的. 为了解决这个问题,研究人员没有继续探索新的焊接材料各金属成分,而是在 焊接材料的微观结构上下功夫, 通过利用铜材料在纳米粒子形式下熔点降低的原理, 成功开发了纯铜焊接材料. 黄健编译自http://www.lockheedmartin.com/us/news/press-releases/2012/october/1024-ss-atc.html 检索日期:2012 年10 月31 日IBM 推进碳纳米管芯片研究 IBM的研究人员利用离子交换化学理论研究出能够在基板上精确可控地有序放 置大量碳纳米管(约为 10 亿个/cm2 )的新方法,并成功在一块芯片上集成了 1 万多 个CNT晶体管.这一制造工艺向着替代硅半导体的方向又迈进了一步. 研究人员首先在CNT溶液中加入表面活性剂——十二烷基硫酸钠(SDS) ,然后 用色谱分析技术将半导体型CNT从CNT溶液中分离出来.然后在硅晶圆基板上先形 成10 nm的二氧化铪 (HfO2) 薄膜, 再沉积 5-10 nm的SiO2层作为掩模版, 掩模层SiO2 刻有大量沟槽,露出下方的HfO2 层.在用4-(N-hydroxycarboxamido)-1- methylpyridinium iodide(NMPI)溶液处理裸露的HfO2沟槽部分后,再将CNT溶液涂 到基板上, NMPI就会与SDS溶液发生离子交换作用, 将SDS固定在沟槽内. 由于CNT 缠绕在SDS后,经热处理后CNT就会附着于沟槽内,覆盖上钯电极后就形成了CNT 晶体管. 由于沟槽宽度很窄,约70-200 nm,因此 CNT 在沟槽内方向统一.这种方法兼 容传统半导体制造工艺,能够制造大规模 CNT 晶体管.对于替代日渐走向物理极限 的硅晶体管而言,这项研究迈出了重要一步. 姜山编译自http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/39250.wss 检索日期:2012 年10 月28 日12 版权及合理使用声明 中国科学院国家科学图书馆《科学研究动态监测快报》 (简称《快报》 )遵守国家知识产权法的规定,保护知识产权,保障著作权人的合 法利益,并要求参阅人员及研究人员认真遵守中国版权法的有关规定. 用于读者个人学习、研究目的的单篇信息报道稿件的使用,应注明版权 信息和信息来源.未经中国科学院国家科学图书馆同意,严禁将《快报》 用于任何商业或其他营利性用途,院内外各单位不能以任何方式整期转 载、链接或发布相关专题的《快报》 .如需要链接、整期发布或转载相 关专题的《快报》内容,应向中国科学院国家科学图书馆发送正式的需 求函,说明其用途,征得同意,并与国家科学图书馆签订协议.中国科 学院国家科学图书馆总馆网站发布所有专题的《快报》 ,国家科学图书 馆各分馆网站发布各相关专题的《快报》 . 欢迎对中国科学院国家科学图书馆《科学研究动态监测快报》提出 意见与建议. 中国科学院国家科学图书馆 National Science Library of Chinese Academy of Sciences 《科学研究动态监测快报》 《科学研究动态监测快报》 (以下简称系列《快报》 )是由中国科学院国家科学图书馆总馆、 兰州分馆、成都分馆、武汉分馆以及中科院上海生命科学信息中心编辑出版的科技信息报道类 半月快报刊物,由中科院基础科学局、资源环境科学与技术局、生命科学与生物技术局、高技 术研究与发展局、规划战略局等中科院专业局、职能局或科技创新基地支持和指导,于2004 年12 月正式启动,每月 1 日和 15 日出版.2006 年10 月,国家科学图书馆按照统一规划、系统布 局、分工负责、整体集成的思路,按照中科院 1+10 科技创新基地,重新规划和部署了系列《快报》 .系列《快报》的重点服务对象一是中科院领导、中科院专业局职能局领导和相关管理人员; 二是中科院所属研究所领导及相关科技战略研究专家;三是国家有关科技部委的决策者和管理 人员以及有关科技战略研究专家.系列《快报》内容力图恰当地兼顾好科技决策管理者与战略 科学家的信息需求,报道各科学领域的国际科技战略与规划、科技计划与预算、科技进展与动 态、科技前沿与热点、重大研发与应用、科技政策与管理等方面的最新进展与发展动态. 系列 《快报》 现分 13 个专辑, 分别为由中科院国家科学图书馆总馆承担的 《基础科学专辑》 、 《现代农业科技专辑》 、 《空间光电科技专辑》 、 《科技战略与政策专辑》 ;由兰州分馆承担的《资 源环境科学专辑》 、 《地球科学专辑》 、 《气候变化科学专辑》 ; 由成都分馆承担的 《信息科技专辑》 、 《先进工业生物科技专辑》 ;由武汉分馆承担的《先进能源科技专辑》 、 《先进制造与新材料科技 专辑》 、 《生物安全专辑》 ;由上海生命科学信息中心承担的《生命科学专辑》 . 编辑出版:中国科学院国家科学图书馆 联系地址:北京市海淀区北四环西路 33 号(100190) 联系人:冷伏海 王俊 电话:010-62538705 62539101 电子邮件:lengfh@mail.las.ac.cn;wangj@mail.las.ac.cn 先进制造与新材料科技专辑 联系地址:湖北省武汉市武昌区小洪山西区 25 号(430071) 联系人:万勇 冯瑞华 电话:027-87199180 电子邮件:jiance@mail.whlib.ac.cn