石墨烯的应用研究及展望(2)

广 东 化 工 2011年 第12期

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使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能[9]。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。最近，Geim研究组利用电子束光刻与干刻蚀的方法将同一片石墨烯加工成量子点，引线和栅极，获得了室温下可以操作的石墨烯基单电子场效应管，解决了目前单电子场效应由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的操作温度受限问题。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管，发现在电荷密度为零的情况下石墨烯还是可以传输一定的电流，可能为低能耗，开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。与一维纳米材料相比，石墨烯基电子器件的显著优势是整个电路，包括导电通道、量子点、电极、势垒、分子开关及联结部件等，可在同一片石墨烯上获得，有可能避免一维材料基器件中难以实现的集成问题。

应力等的敏感检测。

9 石墨烯的应用前景

石墨烯的研究刚刚起步，面临着种种困难。在制备工艺方面，制备用于实验的石墨烯样品虽已不是问题，但大规模生产石墨烯的工艺还待改进。从现代半导体工业发展的趋势看，未来的晶体管将会由纯净的、具有高导电性的石墨烯晶体和经过化学改进的具有半导体性能的石墨烯衍生物一起组成。研究人员和工业界将石墨烯看作硅的替代品，用以生产未来的超级计算机。随着石墨烯的各种特性被陆续发现，相信很快就可以投入大批量低成本的工业化生产。科斯特亚·诺维塞洛维说：“石墨烯是一种极佳的导体，可被广泛的应用于诸多电子设备当中，如果可以通过化学方法按人们的需要控制其电子性能，那将具有更为诱人的应用前景。我们的工作已经证明了这种方法的可行性，已经打开制造石墨烯化学衍生物的闸门，这将进一步拓宽石墨烯的应用空间”。英国科学家在石墨烯基础上开发出一种具有突破性的新材料，用纯净的石墨烯和氢制备出具有绝缘性能的二维晶体石墨烯衍生物―石墨烷，在不破坏石墨烯独特的六角形晶格结构和单原子厚度的情况下，在每个碳原子上都增加了一个氢原子，从而制备出了具有新特性的新材料。这些新型超薄材料具有不同导电性能。该实验证明了可以通过化学方法改变石墨烯的性能，这为制备其他基于石墨烯的化学衍生物铺平了道路。同时，对类石墨烯的研究和应用，也极大地拓展了石墨烯的应用和发展，显示了其强大的生命力。虽然石墨烯的应用和研究还面临种种困难，但对石墨烯的研究有着令人神往的前景，已成为新型材料应用的热点，在不久的将来，我们的生活会因石墨烯而改变。

7 减少噪声方面的运用

美国IBM宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的石墨烯，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f噪声。石墨烯作为形成纳米级晶体管和电路的“Post-Si材料”，正在全球进行研究开发。普通的纳米元件随着尺寸的减小，被称作1/f的难以控制的噪音越来越明显，存在信噪比恶化的问题。这种现象就是众所周知的“波格定律(Hogue’slaw)”，即使采用石墨烯、碳纳米管以及硅材料也会产生该现象。因此，如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM利用单层石墨烯试制晶体管，并确认该元件符合波格定律。另一方面，通过重叠二层石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。

参考文献

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[3]黄桂荣．石墨烯的合成与应用[J]．炭素技术，2009，29(1)：35-38． [4]李旭，赵卫峰，陈国华 ．石墨烯的制备与表征研究[J]．材料导报，2008，22(8)：48-51． [5]吴康迪．石墨烯晶体管：摩尔定律的延寿者[J]．计算机世界报，2008(43)：38-39．

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[7]张亚妮，徐永东，楼建军，等．碳／碳化硅复合材料摩擦磨损性能分析[J]．航空材料学报，2005，25(2)：49-54．

[8]张军战，楼建军，徐永东，等．不同结构C/SiC复合材料的摩擦磨损性能[J]．研究摩擦学学报，2006，26(3)：218-222．

[9]叶斌，何新波，曲选辉，等．制备工艺对Cf/SiC复合材料力学性能的影响[J]．材料工程，2004(8)：47-50．

8 在其他方面的应用

随着石墨烯低成本，大规模制备技术的发展，许多应用也相继出现，并越来越受到重视。由于大的表面体积比和高导电性，石墨烯另一诱人的应用是作为电池电极材料以提高电池效率。石墨烯具有优异的氢气吸附特性，可望在储氢材料领域得到应用。例如，2006年Rouf研究组在《自然》上报道了第一个石墨烯基复合材料，其渗流值与纳米碳管聚苯乙烯复合材料相当，并具有高导热性和高强度等特点，可望制成导电塑料用于太阳能电池板或计算机中的散热部件。最近，该研究组利用流体定向方法将离散的氧化石墨烯组装成高强度、高硬度、高韧性的纸状材料，为其在超级电容器、分子存储材料及性能可控的渗透膜等方面的应用奠定了基础。此外，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SchedinF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，极大的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

(上接第52页)

(1)严格控制克劳斯炉内反应温度在1100~1200 ℃，温度偏低时可加入焦炉煤气伴烧，以提高和稳定炉内温度。为保证反应温度，一台煤气风机不能满足生产要求时，可启动备用煤气风机投入生产。

(2)调整克劳斯炉内燃烧的空气配比，空气比例系数FrIC3113A比以前提高约0.02~0.03，保证燃烧反应充分，避免因氧气不足造成积碳现象的产生。

(3)完善脱硫脱氰工序的尾气分析手段，适时掌握尾气成分，及时调整各种气体配入比例。

(本文文献格式：赵承强．石墨烯的应用研究及展望[J]．广东化工，2011，38(12)：61-62)

磺外销价格800元计算，每年可增加收入47.628万元。取得了较好的经济和社会效益。

(3)每年可节约氰化氢分解装置的催化剂购买和更换费用66.5万元。

参考文献

[1]杨建华，王永林，沈立嵩．焦炉煤气净化[M]．北京：化学工业出版社，2006．

[2]何建平，李辉．炼焦化学产品回收技术[M]．北京：冶金工业出版社，2008． [3]董大勤．化工设备机械基础(第二版)[M]．北京：化学工业出版社，1995． [4]何玉樵，韩德禄．化学过程控制及仪表[M]．成都：成都科技大学出版社，1991．

[5]黄瀛华，王曾辉，杭月珍．煤化学及工艺学试验[M]．上海：华东化工学院出版社，1988．

5 改进后的效果

(1)酸气捕雾器至克劳斯炉的管线缩短了1/3，管线阻力减小10~15 kPa，整个系统阻力由原来的40 kPa降低至25~30 kPa，有利于生产顺行。

(2)脱硫系统因堵塞停工时间大为减少，运转周期延长，处理能力大为提高。工序的开工率由2009年的70 %提升到2010年的85 %，每年H2S、HCN减排量达1000余t。硫磺产量由2009年的927.76 t提高到2010年的1523.11 t，增加595.35 t，按每吨硫

(本文文献格式：冯江华，李慧敏，张继明，等．焦炉煤气脱硫脱氰工艺的优化[J]．广东化工，2011，38(12)：52)

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