利用现有技术，对石墨烯及相关材料进行不同组合产生的新产品将刷新一系列固有认知。无论从材料技术、组件技术来看，还是从系统集成来看，这种革命背后蕴藏着多功能应用。随着石墨烯技术的推广，石墨烯的应用也将越来越成功。围绕石墨烯相关技术和应用领域，本文从石墨烯产业前沿技术发展方向上进行了一系列探索性研究，从而探讨了石墨烯产业作为21世纪具有颠覆性的技术具有广阔发展前景。

1  基于石墨烯的颠覆性技术

2010年诺贝尔物理学奖已经承认了石墨烯物理性质的新颖性。与普通半导体和其他电子材料相比，石墨烯具有许多优异特性，而这些性质的组合在任何其他材料中都不能被找到。对于石墨烯独一无二的性质，新技术和大型研究的最终目的将是将其应用于工业发展（图1）。

图1 石墨烯的产品化

石墨烯的这些属性有机会让一些应用变为现实，比如，在电子应用领域包括高频设备、触摸屏、灵活的可穿戴设备、超灵敏的传感器、纳米机电系统、超密度数据存储及光子器件等，在能源领域包括电池和超级电容器来储存和运输电力，以及太阳能电池等。从长远一些来看，石墨烯最具吸引力的潜力在于其传导光和电的能力方面，如发光二极管（LED）、柔性触摸屏、光电探测器，以及改进超快激光器的性能等。图2展示了石墨烯在不同领域的应用情况。

图2 石墨烯在不同领域的应用

2  国内外石墨烯产业发展基本情况

世界各国在机构、资金和整体架构等方面对石墨烯产业积极布局谋划，发达国家在研究深度上已经走在了前列，而且目前在涉及石墨烯的多个应用领域掌握了主导权。国外的跨国公司主动与研究石墨烯技术的相关科研机构、高校等进行合作，投入人力、物力、财力构建石墨烯全产业链，如规模化生产石墨烯、石墨烯粉体、石墨烯薄膜等，积极研发商业化应用。

我国自2012年以来，相继出台了多项政策措施，成立了石墨烯产业技术创新战略联盟，发布了石墨烯相关标准，石墨烯涉及的部分技术拥有自主知识产权且处于国际领先水平。在空间布局上，石墨烯产业主要集中在长江三角洲地区、珠江三角洲地区、山东地区和京津冀区域，这些地区陆续形成了各具特色的石墨烯产业化基地和产业园区。2010-2017年，我国石墨烯企业快速增加和成长起来，从135家增加到1093家。

3  石墨烯产业发展前沿技术及方向分析

石墨烯的大规模生产正在稳步推进，在性能的稳定性和提升方面伴随着一些挑战，包括面向材料/能源的大规模生产应用和面向器件/ICT应用的晶圆级集成等，图3所示为石墨烯的性能和应用领域。石墨烯的“质量”无法用绝对值表示出来，也不好定义属性的优劣，而是取决于具体产品中应用的情况。例如，高性能电子需要石墨烯的“质量”是无缺陷且平整的，电池或超级电容器则是应用了石墨烯材料有缺陷、空洞和孔洞的特质，对于石墨烯不同标准要求依据的是产品如何应用及其应用领域。

1.1  电子领域

石墨烯在电子领域的应用表现为电子设备上，主要集中在石墨烯打开带隙、石墨烯微电子和纳米电子、高频电子学、电子发射、自旋电子学、传感器、柔性电子等方向。

在集成电子系统中引入更多的功能将使应用领域（即通过分布式传感器、执行器和控制器进行家庭自动化）、环境控制和办公自动化应用满足社会对于安全、健康和舒适的要求。提高自动化水平也考虑到了人口老龄化和劳动力的老龄化问题，以及对相适应设备的需求。如，基于石墨烯的传感器或计量设备可以进一步扩展混合电路的功能。基于石墨烯的三维设备集成可以在硅（Si）流中实现，并且可以作为具有扩展功能的低成本芯片的解决方案。

石墨烯具有许多记录特性，它比塑料透明，但导热性和导电性比任何金属都好，是一种弹性薄膜，表现为不透水膜，且化学惰性和稳定性都比较好，因此，石墨烯似乎是理想的下一代透明导体。在各种显示器和触摸屏的制造过程中，由于铟的脆性使得在柔韧性要求高的情况下难以使用，因此迫切需要找到一种铟锡氧化物（ITO）的替代品。石墨烯成为了这种应用的理想候选材料，加上与碳的丰富性结合，为ITO提供了可替代性材料，基于石墨烯的显示器原型已经生产出来，商业产品的生产迫在眉睫。

2010年，首次报道了30英寸石墨烯透明导体的R2R（卷对卷）产品，具有低薄层电阻和90%透射率，可以与ITO等商业透明导电体竞争。石墨烯电极已被应用于能够承受高应变的全功能触摸屏中，因此，人们可以设想开发灵活、便携和可重新配置的电子设备。随着高速石墨烯电路的演示，开启了新的思路，提供的高带宽可能会影响未来的低成本智能手机和显示屏。

目前用于集成电路的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术正迅速接近晶体管小型化的极限，石墨烯被《国际半导体技术路线图》认为是后硅电子学的候选材料。然而，一个满足CMOS技术所有要求的石墨烯低功耗器件还没有被证明。生产石墨烯电路所需的技术仍处于初级阶段，在平坦的介质表面生长具有良好电性能的大面积薄膜还没有得到证实，新型结构的开发不一定基于石墨烯带。

2011年第一个晶圆级石墨烯电路（宽带频率混频器），其中包括石墨烯场效应晶体管和电感器在内的所有组件集成在一个碳化硅（SiC）晶片上，该电路作为一个频率高达10GHz的宽带射频混频器运行，具有热稳定性，在温度300～400K范围内性能几乎没有降低，这表明具有复杂功能的石墨烯器件可以被实现。

石墨烯只有一个原子厚，似乎是最终实现新一代柔性电子器件的合适候选材料。基于石墨烯来开发薄且灵活的电子元件，并将其模块化集成，可以组装和分配给薄的便携式设备。石墨烯可以承受机械变形，折叠时不会断裂，通过所谓的“应变工程”，这种特性提供了方法可以调整电子性能，这种可折叠设备将能实现集成和分布的创新概念。

通过实现柔性电子学，石墨烯将允许使用有机电子（用于显示器、导电聚合物、塑料、可印刷电子的有机发光二极管）去组织现有知识库和基础设施，为收集和支持许多分布式技术能力提供协同框架。

1.2  能源领域

石墨烯在能源领域的应用表现为能源存储和转换上。能源可以根据各种预期用途采用不同方式存储，每种方法都有其优缺点，基于发展可持续能源和可再生能源的需求，使研究集中于太阳能、风能等方面。此外，便携式能源也成发展趋势，不仅用于便携式设备，而且还用于运输，以减少对化石燃料的依赖。为了应对类似的挑战，石墨烯在能源领域的研究主要集中在电池、超级电容器、燃料电池和储氢、石墨烯太阳能电池、热电器件、纳米发电机等方向。

石墨烯为当前与能源生产和存储相关的挑战带来了新的解决方案，首先是纳米增强型产品，然后是纳米新型产品。基于石墨烯的能源生产系统（光伏、燃料电池）、能源存储（超级电容器、电池和氢存储）可以通过相关的概念演示来进行，朝着工业应用的目标研究开发。此外，石墨烯技术可能提供新的电力管理解决方案，这是实现能源高效安全使用的关键。

1.3  材料领域

石墨烯在材料领域的应用表现为复合材料上。石墨烯作为填充来增强复合材料的性能是石墨烯在材料应用中的重要研究方向，主要集中在聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料、基于化学改性石墨烯的二维有机/无机纳米复合材料、光子聚合物复合材料等方向。

石墨烯是工程新材料的理想候选材料，石墨烯的“全表面”特性提供了通过表面处理调整其性能的机会，例如，石墨烯已经转化为带隙半导体（氢化石墨烯或“石墨烯烷”）或绝缘体（氟化石墨烯或“荧光石墨烯”）。此外，石墨烯薄片可以分散放置，他们保留了许多优异性能，可用于实现复合材料（如嵌入聚合物基体）的性能改进。石墨烯不仅因为自身的性质而重要，而是因为它是一种新型材料的典范，随着石墨烯技术的崛起，这类材料将不断发展壮大，如六方氮化硼和辉钼矿单层等。

4.  结语

从实验室中随机产生的微米级薄片到大规模卷式生产，石墨烯实现了快速发展。在未来，各国政府及企业将会针对石墨烯技术应用持续进行深入和广泛的研究，解决一些技术障碍和问题，进一步促进石墨烯产业上中下游的全链发展。目前，虽然石墨烯具有的内在新颖性和技术成熟度都还欠缺，但是把石墨烯和相关材料从实验室带入社会，将为与石墨烯相关的诸多产业带来新一轮革命，既可以促进社会经济增长，也将创造更多技术革新与突破。