清华任天令团队︱Small Methods：从材料到器件，石墨烯面向产业化的发展

一、研究背景

石墨烯作为一种新兴的二维材料，自 2004 年被发现以来就始终在柔性电子领域发挥着重要作用。其制备方法包括机械剥离、液相剥离、化学气相沉积、氧化还原反应等。石墨烯具有优异的力学、电学、声学、光学等性能，在力学传感、收声发声、生理电检测、能源器件等方面取得了长足的进步。在应用中，能否获得可大规模化制备、低成本、高质量和优异性能的石墨烯是影响其产业化发展的重要因素。

因此，探索石墨烯合适的制备方法，提高石墨烯材料的质量是最基本问题。其次要依据石墨烯不同的性质，拓展其领域应用，寻找更有利于其产业化的路径和发展趋势。

二、文章简介

近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队就石墨烯由材料到器件的产业化应用进展进行了系统梳理总结。综述概述了石墨烯的物理化学性质、制备方法及其在产业化方向的应用进展。相关研究成果发表在期刊Small Methods上，杨轶副教授和博士研究生韦雨宏为共同一作。

图1. 石墨烯的制备方法及其在力学、声学、生理电等方面的应用概述。

三、研究内容

在石墨烯的产业化进程中，如何制备出满足市场需求的大规模、低成本、高性能的石墨烯材料是最大的挑战。目前，实验室和工厂生产的石墨烯质量参差不齐。在实验室研究中可通过化学气相沉积等获得高质量的石墨烯薄膜，而在工业生产中，要考虑质量和生产成本，还要注意石墨烯材料结构的可控性。在制备方法中，石墨烯逐步由机械剥离法的微小薄片状到卷对卷式的大规模化发展。考虑到制备的可行性、产品质量、生产成本等因素，可根据市场的质量需求选择合适的石墨烯制备方法。其中，激光直写技术和化学气相沉积工艺是大规模制备中最有前景的方法。石墨烯可以通过激光直写一步制备，不受基材限制。它更适合于制备低成本、通用性能的器件，可用于人体运动检测、健康监测等可穿戴产品。高性能和精密器件需要高质量的石墨烯材料，但市场上现有的石墨烯质量并不理想。因此，有必要对化学气相沉积法和卷对卷等相应的制备方法进行优化和改进。

石墨烯力学传感器具有较高的灵敏度和较宽的测量范围，可应用于拉压力检测、人体运动信号检测等，是目前应用最广泛的领域。对于石墨烯声学器件而言，在声音探测方面，可以通过内部结构的设计提高石墨烯的灵敏度和抗干扰能力，作为麦克风采集声音；在发声方面，基于不同发声机制可以制备出多样式的石墨烯超薄柔性发声体。其在声学方面的应用为可穿戴的人机语音交互方式提供可能。对于生理电器件，虽然石墨烯有望提高信噪比，但目前存在着制造复杂和成本高等缺点，难以大规模均质化生产，限制了石墨烯电极实际应用的发展。其他有关于石墨烯在隐形眼镜、电池、生物药物输送等方面的应用，大部分还处于实验室研究阶段。

四、结论与展望

总体而言，石墨烯在力学检测、人体运动健康、语音识别、声学传感器等领域展现出了广阔的技术与应用前景。如何利用好石墨烯的多功能性，为其寻找到合适独特的应用领域，是创造和保持石墨烯产品的市场竞争力的热点问题。