石墨烯横空出世
2004年，英国曼彻斯特大学的Geim研究小组首次制备出稳定的石墨烯，推翻了经典的“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的理论，震撼了整个物理界，曼彻斯特大学的物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫也因此获得2010年诺贝尔物理奖。
石墨烯，是一种碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。理想的石墨烯结构可以看作被剥离的单原子层石墨，是目前世界上最薄的单原子厚度的材料。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许多优异性质。石墨烯不仅有优异的电学性能，突出的导热性能，超大的比表面积，其杨氏模量和断裂强度也可与碳纳米管媲美。而且还具有一些独特的性能，例如完美的量子隧道效应、半整数量子霍尔效应、永不消失的电导率等。
正因为石墨烯材料具有如此众多、奇特的性质，引起了物理、化学、材料等不同领域科学家的极大研究兴趣。近年来，世界各国政府、企业和科研院所均对石墨烯表现出极大的热情，研发投入、产业化投资此起彼伏。业界认为，石墨烯或将成为高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸屏、蓄电池、电子产品散热以及太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。
各国对石墨烯的钟爱
近年来世界各国均在石墨烯这一领域进行了大量的研究和资金投入，各国政府及企业对其高度关注。欧盟、英国、韩国、日本、德国等多国计划投巨资用于石墨烯的产业研究，未来十年计划累计投入金额将高达30多亿美元。
2013年1月，欧盟委员会更是将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，10年提供10亿欧元资助，将石墨烯研究提升至战略高度，形成以诺贝尔奖得主领衔的组团发展格局，同时欧盟成员国如英国、德国都制定了各国自身的研究计划。
2006-2012 年间，美国国家自然科学基金会（NSF）关于石墨烯的资助项目有200 多项。与此同时，美国国防部高级研究计划署也开展了多项石墨烯研究项目，重点布局石墨烯在超级电容器和下一代更小、更快的电子器件等前沿方向的应用。
韩国、日本等国政府也积极支持本国科研机构和公司开展石墨烯技术研发及商业化应用研究。2012年至2018年间，韩国原知识经济部预计将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助。日本早在2007年就开始了对石墨烯技术开发项目的资助。
各国政府扶持石墨烯产业发展的同时，众多知名企业也是投巨资到石墨烯研发和产业化的竞争中，并相继取得成果。如韩国三星宣称将石墨烯成功应用于触摸屏，制造出了多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏，可广泛应用于移动设备。索尼公司成功合成大面积长120米、宽230米的石墨烯薄膜。IBM、巴斯夫和索尼等均投入巨额资金，化工医药巨头拜耳、飞机发动机巨头英国罗罗公司也加强了对石墨烯的研发，力图迅速占领石墨烯产业的制高点。
中国的石墨烯投资热
综观全球，可以说中国对石墨烯的研发及产业化投入，近几年来升温最快。从国家各部委、各级地方政府，高校，企业等，对石墨烯的投资一浪高过一浪。
工信部及发改委在相关的政策法规中，也要将石墨烯列为未来支持发展之列。近日有消息称，工信部等相关部门正在考虑统筹研究石墨烯材料，而石墨烯材料也有望进入新材料“十三五”规划。
为了推动国内石墨烯研发及产业化进程，由清华大学、中科院金属所、宁波材料所、南京科孚纳米技术有限公司、北京现代华清材料科技发展中心等单位联合国内从事石墨烯技术研发及产业化的企业、大学、科研机构，成立了以提升产业技术创新能力为目标，企业发展需求和共同利益为基础的技术创新合作组织—中国石墨烯产业技术创新战略联盟。联盟先后组建了技术、标准、专利、资源、产业促进、国际合作等专门委员会来整合协调产业资源，提升产业技术创新能力，提高行业整体竞争力。
除了部委的政策引导外，地方政府也是积极支持石墨烯产业的发展，江苏、四川、内蒙、深圳等各级地方政府纷纷出台政策，扶持石墨烯产业。同时，各地的产业联盟也是纷纷建立。
江苏常州2011年成立了江南石墨烯研究院，建立公共研发平台并引进了几家石墨烯团队，并且已经孕育成国内规模较大、影响力较强的石墨烯领域企业。
浙江宁波也在积极推进石墨烯产业化，2013年成立了“石墨烯产业化应用开发”重大科技专项，首期支持资金为3年9000万元，重点支持石墨烯应用开发，促进石墨烯产业链条的形成。
2013年6月，内蒙古石墨烯材料研究院成立。
2013年9月，中国石墨烯产业技术创新战略联盟与青岛市高新区管委会、青岛赛瑞达电子装备股份有限公司三方合作共建青岛国家石墨烯产业创新示范基地正式签约。
2013年12月，山东省石墨烯联盟成立。
2013年12月消息，上海浦东新区正筹备建立临港石墨烯产业园区，力争3-5年内培育2-4家龙头企业。并争取参与石墨烯国家标准的制定，力争“国家石墨烯检验监测中心”落户浦东。
2014年初消息，为加快内蒙古自治区石墨产业的转型升级,内蒙古自治区拟组建石墨烯产业技术创新战略联盟。
2014年6月，石墨烯产业研发中心在青岛国家高新技术产业开发区落户。
在全国石墨烯产业化的进程中，主要技术来源有清华大学、中科院等科研院所的技术成果转化以及欧美留学归来相关人员的技术。在投资主体方面，有力合股份、金路集团、乐通股份、方大炭素、中国宝安、新华锦、南江集团(华丽家族)等上市企业的雄厚资金，也有各地政府的资本投入。粗略估算，全国在石墨烯产业方面的投入已不下10亿元。
除了专门从事石墨烯产业的企业外，还有众多其他行业的企业也在加强石墨烯方面的投入。康得新2014年8月4日发布公告称，公司拟设立“张家港康得新石墨烯应用科技有限公司”，注册资本为1亿元，公司经营范围初定为石墨烯新材料技术的研发及应用、石墨烯相关产品的研发、生产及销售等。2014年8月12日东旭光电发布公告称，公司已与北京理工大学签署了关于在石墨烯新材料领域开展产学研合作的协议。
表1 国内部分石墨烯相关单位
北京墨烯控股集团股份有限公司股权结构图
技术进展及专利状况
经过近几年世界各国在石墨烯方面的研究，已取得了不小的技术成果，同时也积累了大量的专利技术，只待技术完备，便可进行大规模的生产。
石墨烯触摸屏研究处于前列的国家有美国、英国、日本和韩国，而目前开始产业化的公司也有韩国三星、日本索尼、CambriosTec以及3M。日本东丽、东芝、索尼产研和信越化学、三星等厂商在石墨烯研究方面进展迅速。
国内在产业化方面也是佳绩不断。2013年初，中科院重庆研究院研制出15英寸的单层石墨烯和7英寸石墨烯触摸屏。2013年2月，无锡格菲电子薄膜科技公司研发出石墨烯电容式手机。常州第六元素公司年产100吨粉体，宁波墨西科技公司年产300吨石墨烯粉体项目成功投产。2013年5月，常州二维碳素科技公司、无锡格菲电子薄膜科技公司、深圳合力光电传感公司联合江南石墨烯研究院在常州投产3万平方米石墨烯薄膜生产线。常州二维碳素科技公司研究出手机电容式触摸屏。 [JF:Page]
2014年6月，青岛华高能源科技有限公司向外界披露，利用石墨烯制备的新技术，该公司已成功规模量产低成本、低缺陷、大尺寸的高品质单层石墨烯，各项性能指标处于国内领先、国际先进水平。 
中科院重庆绿色智能技术研究院成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯
在专利方面，国内高校和企业已有大量的专利储备。截至2012年我国在石墨烯研究领域的文献贡献量已达5072篇，占全球的石墨烯文献量的29.2%，超过美国的27.3%位居世界首位。
根据中国知识产权网截至2014年7月底的数据，中国有关石墨烯专利申请数量也处于世界首位。
单从专利申请的数量来看，申请数量最多的机构主要集中在中国、美国、韩国和日本。在前四十名专利申请人中，有3家来自美国，分别是IBM公司、沃尔贝克材料公司和加利福尼亚大学；5家来自日本，分别是半导体能源实验室、富士通、日本东芝和日本积水化学；8家来自韩国，分别是三星、高级科技学院、成均馆大学、首尔大学、电子通信研究院、UNIST研究院、延世大学和LG伊诺特；1家来自瑞典（诺基亚）；另外来自中国的申请人数高达23个，包括3家公司，海洋王照明科技、鸿海精密仪器和常州碳元技术，其余20个申请人主要是高校和科研机构，分别为浙大、南大、北京化工、清华、上海交大、天津大学、东南大学、西安电子科技、北大、上大、成都电子科技、哈工大、东华大学、复旦、湖南大学、常州大学、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中科院化学研究所、中科院宁波材料技术与工程研究所和中科院上海硅酸盐研究所。
目前有关石墨烯的专利技术主要集中在下述方面：（1）石墨烯的制备；（2）石墨烯用作锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料等；（3）石墨烯用于制备半导体器件；（4）石墨烯用于制备复合材料等；（5）石墨烯用于制备触摸屏、透明电极；（6）石墨烯用于传感器；（7）石墨烯用于结构材料及石墨烯在晶体管和半导体领域的研究。从专利的主攻方向来看，制备高品质的单层及多层石墨烯是当前石墨烯制备技术中的重点和难点，同时未来最有可能产业化推广应用的领域将是电子行业，包括触摸屏、透明电极和晶体管等。
未来趋势探索
触摸屏行业一直高度关注石墨烯作为ITO导电膜替代材料的可行性。相比ITO导电膜，石墨烯透明电极不仅具备良好的导电率，同时具备相当柔性，但由于手机等智能终端的产业链太长，产品的成形需要电路板、机身材料等整个供应链的配合；同时，石墨烯本身的成本和良率等问题也有待改善。
与传统的ITO触摸屏相比，石墨烯触摸屏有如下优点：首先，无毒环保，石墨烯由纯碳构成，即使植入生物体内，也仅产生微弱的排异反应。相比ITO使用的稀有金属铟，石墨烯对环境友好。其次，石墨烯的光学性能要优于ITO，能部分消除镜面反射，可有效解决长期困扰ITO的光学镜面反射问题。在强光下，ITO屏幕会变黑，而同样情况下的石墨烯触摸屏镜面反射会减弱很多，用户可以正常使用。
表2 石墨烯薄膜与ITO薄膜性能参数对照 
对于石墨烯产业的未来，各方持有不同观点。
二维碳素总裁金虎称：“根据我们的研发进展和对市场的了解，石墨烯薄膜在2014年的亮点就是在触摸屏领域，2015年在柔性显示、可穿戴电子将有所突破；2016年国内国外的企业可能会在柔性太阳能电池方面有所突破，2017年可能将会大规模应用在科技领域。”
深圳清华大学研究院前院长、江南石墨烯研究院名誉理事长冯冠平认为，“石墨烯的应用必然是一个由低端向高端延伸的过程。利用石墨烯的导电导热性的低端应用这两三年内将会崛起，而应用于光电转换的电池以及代替硅材料的芯片领域，仍需要较长的时间。”
中科院物理所从事石墨烯研究的张广宇研究员表示，由于受到材料本身属性的限制，在室温下硅基处理器的运行速度达到3GHZ后就很难继续提高。硅的载流子迁移率仅为1000~2000cm2/Vs，而石墨烯的这个指标能够达到几十万甚至上百万，是迄今发现的载流子迁移率最高的物质之一。这一特性意味着一旦石墨烯能够取代或部分取代硅，计算机处理器运行速度有望达到100GHZ甚至1000GHZ。国内要发展石墨烯产业不应抓住石墨烯的量产不放，而是应该放在对石墨烯下游应用的研究开发上。张广宇认为，量产的目的还是为了供应下游需求，关键是要把下游发展起来。即使下游产业发展起来，市场所需要的石墨烯数量也不会以吨来衡量，“石墨烯是单原子层的，要是量产几吨的话，把整个地球都铺满了。1千克石墨烯也够一家显示屏生产企业用上很多年了。”
“单纯卖石墨烯，说得形象点就跟开个煤球厂卖煤球是一样的。”一位化工行业专家表示，石墨烯产业也有高端和低端之分，国内企业从起步阶段就应该努力瞄准高端，在下游应用上发力。否则将来在石墨烯的市场应用形成气候的时候，我们仍会处于产业链的最低端。
笔者认为，目前炒作之风盛行，甚至多家企业热炒的根本就不是石墨烯产品，而只是假借石墨烯之名行圈地圈钱之实。如前几年热炒的碳纳米管技术，后来真正实现量产的，除了清华大学碳纳米管产业之外，怕是少有成规模的企业。石墨烯也是一样，在未形成成熟技术之时，全国的相关企业已有数十家以上，且各地政府不乏盲从和跟风之嫌。投资者在投资之时，还是要明辨真伪，不能只看表面。
本文来自《平板显示文摘》237期。2014年8月29日出版。
文：李雷广
