昨天我们对石墨烯的特性、应用概况进行了简单介绍，了解到石墨烯这种神奇的复合材料拥有广阔的应用全景，许多国内外科研及技术机构都在基于这种材质开发新的产品，它在未来材料界的地位毋庸置疑。那么，石墨烯到底有哪些具体的用途呢？它将以怎样的形式来改变科技？世界范围内的研究又有哪些新进展？
可做“太空电梯”缆线
石墨烯不仅可用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3 万英里长太空电梯成为现实。研究人员表示，如果这种方法被证明可用以成批制造石墨烯光纤，将能降低超坚固碳素复合材料的成本，碳素复合材料在航空航天、汽车和建筑等领域具有广泛的用途。
代替硅生产电子产品
硅让我们迈入了数字化时代，但研究人员仍然渴望找到一些新材料，让集成电路更小、更快、更便宜。在众多的备选材料中，石墨烯最引人瞩目。石墨烯值得炫耀的优点有很多，比如超高强度、透光性（因为极薄）和超强导电性，这让它成为了制造可弯曲显示设备和超高速电子器件的理想材料。石墨烯如今已经出现在新型晶体管、存储器和其他器件的原型样品当中。
国际商业机器公司（IBM）已研制出运行速度最快的石墨烯晶体管，IBM 公司发布了其与美国麻省理工学院（MIT）的共同研究成果——在SiC 基板上形成的栅长240nm 的石墨烯场效应晶体管（FET），并验证其截止频率为230GHz。石墨烯通过热处理SiC 基板而成膜。IBM表示，计划将其应用于高频RF 元件。Rice 大学研究人员正在着手研究一类存储单元密度至少为闪存两倍的石墨烯片状存储器。石墨烯是由没有卷成纳米管的纯炭原子薄膜构成，此次Rice 大学研究人员首次将石墨烯用于架构更简单的双端存储器件。
科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。
用于光子传感器
石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，用于检测光纤中携带的信息。现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。2010年，IBM 的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。
英法研制出超快锁模石墨烯激光器。英国剑桥大学及法国CNR 的研究人员已经制造出超快锁模(Mode-locked)石墨烯激光器。由于石墨烯为零能隙的半导体，这项研究成果不仅令人意外，而且显示了石墨烯在光电器件上大有可为。
用于纳电子器件
石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料。但是由于完整的石墨烯基本没有带隙，极大地限制了它在半导体器件上的应用，所以为石墨烯开启一个带隙，是一件非常重要的课题。近来，研究表明，一维尺度受限的石墨烯纳米带具有一定的带隙，可以获得高性能的晶体场效应管，增加芯片速度与效能、降低耗热量。然而，制备宽度小于10nm 的石墨烯纳米带是非常困难的问题。
在纳电子器件方面石墨烯的可能应用包括：电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管；进一步减小器件开关时间，THz 超高频率的操作响应特性；探索单电子器件在同一片石墨烯上集成整个电路。
前些年，BASF 与沃尔贝克材料公司决定对石墨烯复合材料的开发进行合作研究。BASF 和沃尔贝克公司开发了高传导石墨烯用于导电涂层。两个单位的联合研究将为石墨烯在电子工业应用的商业化铺平道路。它是一种性能优异的半导体材料，是将来应用于纳米电子器件最具希望的材料。
据美国物理学家组织网报道，美国科研人员利用石墨烯制造纳米电路领域取得突破性进展。设计出了简便、快速的纳米电线制造方法，能够调谐石墨烯的电学特征，使氧化石墨烯从绝缘物质变成导电物质。美国曼彻斯特大学的研究人员用石墨烯制成了分子级电子电路。石墨烯可以被刻成拥有单个晶体管的电子电路，其尺寸不比分子大多少，晶体管尺寸越小，其功能越强。研究人员还表示，从氧化石墨烯到石墨烯的简单转换是制造导电性纳米线的重要途径，其不仅可应用于软性电子学领域，还有望用于生产与生物兼容的石墨烯电线，可被用于测量单个生物细胞的电子信号。
制造优良的太阳能电池
因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。透明的石墨烯薄膜可制成优良的太阳能电池。美国鲁特格大学开发出一种制造透明石墨烯薄膜的技术，这是一种几厘米宽、l~5nm 厚的薄膜。石墨烯薄膜是一种平坦的单原子碳薄，可用于取代透明导电的ITO 电极用于有机太阳能电池。这些薄膜还用于取代显示屏中的硅薄膜晶体管。石墨烯运送电子的速度比硅快几十倍，因而用石墨烯制成的晶体管工作得更快、更省电。美国南加州大学的研究人员开发了一种柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有机太阳电池。
其他新用途
美国伦斯勒理工学院的研究者曾发表三项新研究成果，表明石墨烯可用于制造风力涡轮机和飞机机翼的增强复合材料。石墨烯还可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体，可制成具有精细结构的电子元件，应用于电池/电容器，即使在生物技术方而也可得到应用。
由于原子尺度的厚度，优异的电学性质，极其微弱的自旋一轨道耦合，超精细相互作用的缺失以及电学性能对外场敏感等特性，石墨烯还可望在场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域得到广泛的应用。如Schedin等利用石墨烯制成了第一个可以精确探测单个气体的化学传感器，极大地提高了微量气体快速检测的灵敏性。研究还发现，高灵敏性来自于石墨烯电学上的噪声特性，因此还可用于外加电荷、磁场及机械应力等的敏感检测。
此外，石墨烯还迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿。研究发现，在不需要任何传统化学稳定剂的情况下，石墨烯可以在水中稳定地分解分层，有望应用于可减少静电现象的涂层的研制。
总的来说，世界范围内近年内有众多突破性的进展和重人的发现，如独特的载流子特性，反常量电导率，自一个石墨烯基室温电子场效应管，双极超导场效应管，单分子传感器等。随着研究的深入和加人研究与开发的力度，石墨烯及其复合材料将尽快地应用于国民经济生活中。
来源：中国复合材料学会
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