视频号“大咖开讲”系列之蔡金明（墨睿科技） | 2021石墨烯大会完整报告

报告人简介

蔡金明，昆明理工大学教授，博士生导师，广东墨睿科技有限公司董事长，2008年获中国科学院物理研究所博士，云南省引进百名海外高层次人才，云南省中青年学术与技术带头人预备人才，云南省委联系人才，东莞市委联系人才。主持过多项国家和地区项目，截止2021年8月，发表SCI学术论文50余篇，包括以第一作者发表在世界顶级学术期刊《Nature》、《Nature Nanotechnology》上的文章，总引用7000余次（据Web of Science）。拥有5项国际专利（世界知识产权组织、欧盟、美国和中国等多国机构注册），60余项中国专利。

本期视频号将为您带来蔡金明教授在“2021中国国际石墨烯创新大会”上的精彩报告。

【报告题目】石墨烯：从原子级精准制造到规模化产业应用

谢谢主持人，首先感谢组委会对我的邀请，给我这个机会来介绍一下我们墨睿科技在石墨烯方向和领域的成果和我们的感悟。刚才高超老师的报告非常的精彩，很受欢迎，刚才有一个提问是问最大的感受是什么。我今天主要是介绍一下在石墨烯产业中做了这么多年的一个感受。

我今天的报告是介绍从原子级精准制造石墨烯到规模化产业应用，我是昆明理工大学的一名老师，同时也创办了广东墨睿科技。今天的报告首先介绍我们做石墨烯的发展战略，接下来主要是学、研、产、用四点，其实这个也不是一个很新的概念了，我在学研产用这四个方面也会给大家做一些举例。

石墨烯是一个战略新材料，他的发展历程是04年发现、10年获奖、15年有中国制造2025、18年做的主要产品即石墨烯导热膜在华为手机中应用。石墨烯有很多优异的特性，比如他的强度、导电性、导热性，包括他的厚度，超大的比表面积以及吸附性很强。这些性能都很好，但是我们应该怎么样去用他，这个是我们一直在思考的问题。比如他的导电性很强，我们是不是可以用石墨烯去取代原来金属的导线呢，其实还是很困难的，因为金属的结构是通过离子键结合，而我们的石墨烯是通过共价键结合，或者说通过π键结合。如果是粉体之间，电子的传输是受到限制的，所以如果用他的导电性，其实是很难去取代这些金属的导线的。那其他的方面呢，刚才高老师也说了，比如发热，这也是非常好的一个应用。

那么用的话，我们就考虑，想要把他用起来首先应该从机理上去认识石墨烯，可能是3-10年后产品。那么接下来我们再去做应用产品的开发，这个是0.5-3年后产品。如果产品研发的比较成功，那么我们会去做规模化的生产，会有一个成熟的产品去进行应用。最后呢就是我的产品做出来后，怎么去做市场的推广和市场的教育，我要告诉大家这是一个石墨烯的成熟产品，也会跟客户去沟通，针对客户的一些需求我们也会去做一些概念性的产品，基于我们对石墨烯机理的认知，我去做概念性的产品。对于我们来说，我们在学这一块出身，我们还是通过原子级的精准构造去理解石墨烯的本征机理及了解石墨烯在未来的一些应用和前景。这是我们超高差X低温扫描显微镜，来进行一些原子级别的研究。产品的研究呢我们是基于理论的认知来开发产品，同时根据客户的需求去判断我们的这些东西是不是可以做出来，我们现在主要在做的是石墨烯的高性能导热膜，这是我们的耐驰的467，测导热系数的。接下来就是规模化生产，呈现了很多问题，比如生产工艺怎么去调整，怎么去减少能耗，增加效率，同时提高产能、提高性能，以及降低成本等等。这是我们做导热膜的涂布线，大概有120米长。最后呢，在推广市场的时候，我们的一个想法是要告诉市场石墨烯的优势在哪里，同时我们了解市场的一个痛点，理解客户的需求，去解决客户的问题，同时我们要告诉他石墨烯不可取代的优势在哪里，就是跟同类的产品比，石墨烯的优势在哪里，用这个东西会更好，现在我们的导热膜主要是用在5G手机上面。

接下来我就简单介绍一下我们在学这一块，石墨烯在原子尺度上的精准构造还有性能调控。

石墨烯导电性、导热性非常的好，理论预测如果石墨烯能做成芯片，比现在的硅芯片能耗降低70%，速度提高十倍。但事实上石墨烯是一个没有禁带宽度的、零禁带的半导体，所以如果要做芯片，首先是需要禁带宽度的。打开禁带宽度的方法很多，包括双层的石墨烯、掺杂的石墨烯或者做成石墨烯纳米带。

我们也是在考虑通过自下而上的方法来制作石墨烯的这种半导体结构，比如说这个（ J. Cai et al. Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons, NATURE 466, 470 (2010)），我们用这个分子顺序的沉积在金属表面上，最后能获得一个边界是XXX的石墨烯纳米带，宽度仅有0.7nm，禁带宽度是2.3个eV。我可以通过控制石墨烯的原子尺度上的结构，去调整他的电学特性。如果更宽，他的带隙会更小，如果更窄，他的带隙会更大。同时呢我也通过这个做成了波纹状的石墨烯纳米带，他的带隙跟上面哪一个armchald的石墨烯纳米带相比是一样的，但是内部的能带的细微结构是有差别的，我们可以利用这些差别来制备不同的电子器件。

同时还可以通过缺陷来调控他的带隙，比如说这是一个宽一点的、n等于9的纳米带。我们在周期上打掉一个苯环，可以形成这样的石墨烯纳米带。

另外我们还可以通过掺杂去调控，比如说掺硼、硫，我们还可以通过掺氮来调控石墨烯的禁带宽度。这个就是一个掺氮的石墨烯纳米带。刚才的石墨烯纳米带他的氮是在边缘处的，我还可以考虑这个氮是一个吡啶氮还是石墨氮，他们特性是不一样的。这就是我们制备的两个石墨烯掺氮的纳米带的情况。这个呢，氮都是在边缘处的，这三个地方氮是居于纳米带的中间，他是一个石墨氮。我们也通过计算发现不掺氮的纳米带的带隙是0.7eV，在边缘处掺了吡啶氮的石墨烯纳米带带隙是0.82eV，但是如果掺的氮是石墨氮，就会形成金属性的纳米带，也就是说我可以通过掺氮的位置调控他的带隙还有金属特性。

以上是对石墨烯纳米带的一些研究，那么他能做什么呢？

首先我们刚才也讲了，我们可以把不同带隙的纳米带结合在一起，就是基本的PN结的原件，这是我们做的石墨烯PN结，未来可以用来去做一些电子器件。另外我们也可以利用石墨烯的排列特性，比如说我们做的石墨烯纳米带有拉曼的振动峰，如果N=7，在396的地方会有一个呼吸振动的模型，证明说我的产品整个表面都是这样统一宽度的石墨烯纳米带。我也可以把他转移到硅基底上，同时入射光的偏振方向如果与石墨烯的方向是有夹角的话，我可以调制光的出射强度，这个是我们做的随角度变化的一个拉曼光谱的强弱变化，也就是说我们可以用石墨烯纳米带的阵列去做光学的偏振器件，这些是我们在纳米带方向的比较前期的研究，未来我们也希望把石墨烯应用在电子器件当中。另外呢，就是我们石墨烯其实是一个材料，唯一可以在室温下观察到量子霍尔效应的一个材料，我们也可以通过石墨烯的电子自旋的情况。比如这是一个纳米石墨烯，他的自旋的量子数，这个是0，这个是1/2，我们可以把他调控成这两个结构，他的自旋就可以调控为这个是1，这个是1/2。这个是我们在石墨烯电磁特性上的调控和制备。

基于这些理解，我们了解了石墨烯的特性，那么我们去做具有产品特性的一些材料的研发。

接下来介绍一下高定向石墨烯气凝胶的制备和表征，刚才高老师也展示了他们做的气凝胶。我们的气凝胶做出来呢是一个有序的气凝胶，我们做的是一个圆柱形的，是以圆心为中心，然后周围基本是平行排列的一个情况，这个也是文章的一个cover。

这是他的一些机械性能，其实是可以去做力学的传感器，分别是30%、50%、70%的一个循环的特性，这个是在70%的压缩率的情况下循环500周的循环特性。这个是在压缩30%、50%、70%时的情况下电阻变化的关系，基本上是一个线性变化的情况。这个是在压缩70%的情况下，循环电阻变化的一个结果。利用这个东西我们也做了一个小东西，把他放到一个鞋垫里，在前端放了2个，中间放了1个，后面放了1个，通过电阻的一个变化，这是一个正常走路的情况，那么我的电阻率的变化跟我们设想的是一样的，3号和4号的传感器变化是一致的；但如果你是一个外八字或者内八字的走路，那么3号和4号传感器的电阻变化就会有一个先后的情况，我们也可以去对一些比如说你行走的一些健康状况做一个检测，或者说有长短腿，或者你的腿受力不均匀，可能这个也是一个比较好的监测装置。

另外由于氧化石墨烯是亲水的，通过还原之后我们可以把气凝胶从亲水的变成疏水的，疏水之后但还是亲油的，我们可以对有机溶剂进行一个快速的处理。比如说环己烷，他是一个比水重的，我可以直接把他伸入水下，大概1秒钟的情况下就可以把他吸附掉。对于四氯化碳是比水轻的，飘在水面，也是1秒钟就可以吸附。他可以吸附自身重量140倍的重量。

对于我吸附的有机溶剂我还可以去循环利用，如果是没有用的有机溶剂我就可以直接用火把他烧掉，如果是有用的有机溶剂，我直接通过挤压的方式就可以回收。这是一个循环特性的检测，多次循环后他的性能还是非常稳定的，燃烧前后的结构也是没有变化的。这就是我们通过气凝胶的研究认为可以在未来有机溶剂的处理、力学/压敏传感器的应用。

接下来到产，如果一些产品研发的比较成熟，我们会做规模化的生产。我介绍一下我们的高性能石墨烯导热膜的规模化生产的情况。

现在5G手机的散热需求是越来越大了，比如说摄像头、天线、高分子的封装、大容量的电池以及集成度越来越高。事实上给石墨烯一个发展的空间和环境就是因为我的5G手机集成度越来越高，他的空间是有限的，但是我又需要导走更多的热量，所以对散热提出了更高的需求。石墨烯作为一种导热性非常好的材料，顺理成章地进入到了这个领域当中。我们主要做的就是用化学法的氧化石墨烯来制备导热膜，这个是我们的制备工艺，首先通过化学反应的方法制备氧化石墨烯的浆料，再通过提纯变成料饼，再通过配浆形成涂布的浆料，再涂布，涂布之后通过多温区进行烧结处理，然后呢压延收卷做模切，最后进入到我们的手机之中。这其中有几个关键的因素，第一个是氧化石墨烯的制备，片径的大小对后端的是有影响的，还有氧含量就是羟基基团的含量，以及浆料的pH值都有很大的影响。刚才高老师也讲了，石墨烯其实会形成液晶相的，在涂布的过程当中，如何让石墨烯呈液晶相，让他面内有一个非常好的导热率，这是一个涂布的一个工艺办法。还有烧结就是高温处理的地方如何让他形成原子级的排列、少缺陷，这也很关键。最后是他的厚度，怎么做的更厚也是需要关注的地方。

这就是我们目前做的石墨烯导热膜的一些情况，这里有两个，这是一个表光的图，这是一个截面图，里面基本上都是平行排列的。刚才高老师也放了一些原子分辨的图片，我们对导热膜也作了SPM的表征，也可以看到他里面是没有缺陷的，还是非常完美的一个原子级精确结构。

通过这样的一个处理，我们量产的导热膜的导热系数达到了1500W/m·K，用耐驰的467测的。另外我们做到了500μm的厚度。

同时作了一个弯折性能的测试，可以做到20万次的弯折，是通过±90°，这是测试前后的扫描电镜的图片，我们可以看到前边都是平行的，弯了20万次之后这个地方是有一个弯折的痕迹，但是内部还是连续的，也就是说导热性能是没有受到太多的影响。这个是导热性能的一个测试，导热系数衰减了大概是4.7%。

目前我们的产能是氧化石墨烯原料设计产能是1000吨粉体，膜是60万平方米。现在出货情况是1500W/m·K小批量，到今年12月份1500W/m·K就能够量产，同时我们的产能会翻一番。到明年我们会继续扩大，现在也在攻关1700W/m·K的一个量产工艺，未来我们会根据实际市场需求去扩大我们的产能。这个是我们现在在做的导热膜的情况。

实际上除了氧化石墨烯，我们在CVD石墨烯、机械法的石墨烯，包括我们刚才介绍的石墨烯纳米带，都是有相应的量产的能力的。我们主要提供的就是定制化的石墨烯，以原来作为我们的核心竞争力。怎么用很关键，我们又找了四个产品的开发方向，一个是热管理方向，刚才介绍的导热膜、导热纸、散热涂料、微纳腔超导膜，另外还有先进复合材料方向，医疗器件传感器方向，还有新能源方向，锂电池领域。

最后就是用这一块，用就是拓展和培育。我简单说一下。

这就是小米MIX4里面做的一个案例，小米MIX4里面没有用到金属的VC均热板，用的是一个超厚的石墨烯导热膜，小米命名为石墨烯均温板，其实就是一个300μm厚的石墨烯导热膜。跟VC相比，在低温的时候，VC还没有启动的时候导热是比铜要好的；同时在VC相变饱和之后，以铜作为导热的时候还是要好，同时重量轻，成本要低，可加工性也要比VC要好一些。这个手机只用了碳材料来做均热，小米MIX4这个材料就是我们专门给客户定制开发，通过多轮沟通来满足客户需求的案例。

另外一个就是红魔的手机，也是通过多种协调的散热材料来做的热管理。游戏手机对散热的要求会更高一些。

最后我还是总结一下，我们的一个发展理念就是学研产用。学呢我刚才也介绍了，石墨烯在原子级尺寸的精准构造及电子特性的调控，这个是我们在布局未来石墨烯电子器件的前沿研究。研发方面我们在做石墨烯气凝胶的一些对于力学传感还有吸附有机污染物的产品开发。另外生产我介绍了我们的高性能导热膜的全链条，从原材料到模切的一个规模化生产，明年会做到240万平方的产能。另外用的话就是我们在终端客户已经广泛应用了我们的石墨烯导热膜，我们也在开发一些高端的客户。

最后呢，感谢一下我们墨睿科技和昆明理工大学，以及在学研产用的团队，还有就是科研经费的支持，还有我们的股东、我们的投资人，包括深创投、小米、广发、碧桂园等等。

最后呢，谢谢大家！也欢迎大家到我们墨睿科技指导工作，欢迎大家共同发展，多方合作。谢谢大家！

提问：1500W/m·K的导热系数是多少厚度？还是说每一种厚度的导热膜都达到了？

回答：是这样的，在做产品的时候测导热系数是通过耐驰467设备，测热的方法是激光散射法，就是说很厚的大概超过150μm测的就不会特别准。基本在150μm以下的都能做到1500W/m·K，150μm以上的性能不会有太多的衰减，但是激光散射法测不准特别厚的。

提问：1700W/m·K，能够提供一些思路吗

回答：我刚才讲了4个重点，第一个就是原料的制备上需要去控制石墨烯片径的大小、pH值、包括氧含量，这些都是需要去调控的；第二个在涂布的时候怎么让他去形成更规则有序的结构；第三个就是你在烧结的过程中怎么把他的缺陷，就是形成刚才展示的那种很少缺陷的、原子级平整的这种结构；最后呢，在做厚的时候，厚了层力、结合力也是比较大的问题。这些就是我们认为在整个链条当中都会对我们的导热膜产生影响。

提问：厚度可以做到500μm，耐驰测不准的话有什么方法测试呢？

回答：直接把他装到器件中，去测他的效果，实测是最好的办法。