产业升级拓宽石墨烯应用领域

　　由于石墨烯相对于铟锡氧化物（ITO）具有许多潜在的优势，包括重量，坚固性，柔韧性，化学稳定性和成本，因此许多应用，例如触摸屏，显示器，太阳能电池，有机发光二极管，晶体管和其他新型领域，已得到证明。尽管石墨烯在透明导体（TC）中的应用仍处于早期阶段，并且本书中介绍的某些设备的性能处于预优化状态，但独特的功能特性可以使石墨烯成为替代目前商业上占主导地位的TC的强大候选者材料。

　　现代技术的主要目标是用更轻，更便宜，更节能的材料代替金属。这个“金属替代”的目标已经在航空和汽车的结构应用中得到了很好的确立，在这些应用中，寻求更高效率和减少CO2排放的努力正在推动使用碳基材料（例如碳纤维复合材料和高性能聚合物），最多可更换车辆金属零件的50％。

　　石墨烯是碳原子的单层，排列在蜂窝晶格中。理想情况下，这种材料的单层甚至可以胜过最具导电性的金属（银或铜）。的电荷在石墨烯中的高迁移率（μ≈105厘米2V-1小号-1）结合其高电荷密度（?≈1013厘米-2）产生的电导率，使薄层电阻小于30Ω，并具有90％的光学透明度。

　　由于最近电子废物的大量增加以及减少与重金属有关的废物管理问题的必要性，金属在“功能性”应用（例如电缆或电子产品）中的替代作用同样重要。经焚烧而成为空气污染物。

　　但是，由于难以匹配金属的高电导率（>107S/m），因此与结构应用相比，此任务更具挑战性。铜，铝或银成型为薄膜时，具有很高的电导率和出色的机械性能；但是，它们在热能，高比重方面的成本很高，并可能被氧化和腐蚀。一次性天线的生产通常涉及对这种金属进行图案化和化学蚀刻以产生天线的导电电路。化学蚀刻是包括许多步骤并且需要许多污染物化学试剂的过程，这也可能损坏下面的衬底，从而缩小了适合天线生产的衬底的范围。因此，将需要新的技术解决方案以用一次性且环保的材料代替金属电路。

　　在刚性或柔性基板上产生导电图案的一种有吸引力的方法是通过印刷导电墨水溶液来实现。这种方法的特点是制造成本低，并且适合于工业规模放大。尽管可以以这种方式容易地获得平均电导率，但是经常需要对印刷油墨进行高温退火以降低电阻率。退火会降解或变形下面的聚合物基材，并限制在纺织品上的应用。金属纳米颗粒也经常用于传导用于印刷天线的油墨。由于它们的高表面积，此类粒子可以与大气中的水或氧气相互作用，从而导致天线比大块金属更快地氧化和降解。在许多应用中，例如在可穿戴电子设备中，天线必须承受苛刻的化学环境，因此天线必须耐腐蚀（例如，由于使用了合适的保护涂层）。解决此问题的一种可能的方法是使用耐腐蚀，具有高热，化学和机械稳定性的碳基材料。

　　现在应大规模生产石墨烯单层并代替透明导体，例如在柔性显示器或太阳能电池中。但是，在需要传输大量电流的实际应用中，例如NFC天线或电力电子设备，需要薄层电阻1Ω。

　　在最近几年中，石墨烯剥落技术的发展已允许大规模且低成本地生产石墨烯基材料（石墨烯溶液，氧化石墨烯等）。这些具有高各向异性二维形状和良好可加工性的石墨烯基材料应重新组装在厚而柔韧的层中，形成“石墨烯纸”（G-纸），其性质不同于普通的结晶体石墨。这些材料的良好的机械和电性能，与他们的便宜且易于生产方法一起，允许它们作为导电使用柔性电极在电容器，气体渗透屏障或什至是白炽灯泡中的发光电导体。这种剥离和重新组装的方法已经成功地用于其他2D材料;值得注意的是，它可用于生产新的复合材料，其特征是无序排列不同的2D纳米片，甚至2D和1D纳米结构的组合。

　　在最近的工作中已经证明了使用“石墨烯纸”作为天线的良好导体，其中大部分用于偶极天线。与基于NFC协议的标准大规模消费电子设备相比，这种天线的要求不那么严格。在这些最新工作中，使用了电导率为102S/m至104S/m的碳基材料，比理想石墨之一（≈106S/m）低至少两个数量级。。表格1给出了在基于石墨烯的天线或高导电性图案上发表的代表性作品列表。