中創(chuàng)產(chǎn)業(yè)研究院每天發(fā)布不同領(lǐng)域的原創(chuàng)研究報(bào)告或轉(zhuǎn)載有深度的文章。周一：風(fēng)險(xiǎn)投資；周二：金融；周三：醫(yī)療產(chǎn)業(yè)；周四：新材料產(chǎn)業(yè)；周五：先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)

最近幾年，石墨烯因其優(yōu)良的性能而名聲大噪，但內(nèi)幕科研工作者都知道石墨烯同時(shí)具有很大的限制性，搞科研很有用，但要想真正走向應(yīng)用造福人類還為時(shí)尚遠(yuǎn)。主要原因是什么呢？——沒有能隙。

目前，研究者們正致力于尋找能夠突破這個(gè)制約的方法，例如研發(fā)設(shè)計(jì)新材料如MoS2，改性石墨烯或?qū)⑹┡c其他材料復(fù)合等等。

你可能聽說過石墨烯，只有一個(gè)原子厚度的純碳薄片。從2011年被成功制備表征出來，至今仍風(fēng)靡于材料科學(xué)界，且絲毫無衰退現(xiàn)象。

理所當(dāng)然，它獲得了大量媒體炒作，很多報(bào)告鼓吹石墨烯是一種超薄，超強(qiáng)，超導(dǎo)電性，超彈性材料，可以用在電子、醫(yī)療、污水處理等等場合。所以，你就以為石墨烯當(dāng)真就是個(gè)可以挽救全人類的厄運(yùn)的重要角色么？

實(shí)際上未必見得。在目前的納米電子學(xué)領(lǐng)域，除了石墨烯，還有更多的材料正在開發(fā)。比如二硫化鉬（MoS2），它的可見光吸收量是石墨烯的5倍，有望用于光檢測(cè)器和太陽能電池。再比如硼烯（硼原子組成的單原子層材料，理論機(jī)械強(qiáng)度高于石墨烯），每一天世界各地的某個(gè)角落可能都有人在提取和合成這種材料。

這些以及其他還未被探索出來的材料，都可能會(huì)像樂高塊一樣，未來用于組裝更加神秘的電子產(chǎn)品。通過不同方式堆疊不同種類的材料，從而可以利用各自不同的性能。而且用這些組合結(jié)構(gòu)組建的新型電子產(chǎn)品將會(huì)比我們現(xiàn)在用的更快、更小、更耐候和更便宜。

石墨烯不會(huì)成為炒作中萬能材料的一個(gè)關(guān)鍵原因在于，它沒有能隙（能帶寬度，energy gap，或作“帶隙”）。因此，科學(xué)家們不可能通過簡單重復(fù)地堆疊石墨烯從而獲得想要的結(jié)果。

我們知道，金屬在任何環(huán)境下都能導(dǎo)電。而除金屬之外的其他任何材料都需要來自外界的一個(gè)大小不一的激發(fā)能量，使電子吸收能量得以穿過禁帶從而進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。以上材料所需的激發(fā)能量就稱為能隙，不同材料能隙不同。從宏觀電學(xué)器件角度來說，組成材料的能隙是決定器件導(dǎo)通、發(fā)揮作用所需要外界施加能量的總和，不管這種能量是熱能還是外加電壓。也就是說，設(shè)備運(yùn)作的前提是輸入足夠的激發(fā)能量。

能帶就長這個(gè)樣子

有的材料能隙太寬，幾乎沒有能量能促使電荷激發(fā)導(dǎo)通。這種材料一般被稱為絕緣體，如玻璃。另外一些材料要么能隙很小或者根本沒有能隙，這些材料一般是金屬，如銅。這也是一般使用銅線做電線，而用塑料等絕緣材料作為電線外部保護(hù)層的原因。

除此之外，能隙處于絕緣體和金屬之間的，一般為半導(dǎo)體，如硅。半導(dǎo)體的電性能與溫度有很大的依賴關(guān)系，處于絕對(duì)零度時(shí)，材料導(dǎo)電性差，而當(dāng)溫度達(dá)室溫，周圍環(huán)境中的熱量就足以提供能量，使部分電子跨越禁帶，材料轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)導(dǎo)通狀態(tài)。

金屬、半導(dǎo)體、絕緣體三類材料各自帶隙的對(duì)比

石墨烯實(shí)際上是一種半金屬，它沒有能隙，也就意味著它能一直導(dǎo)電——無可阻擋。

這是一個(gè)令人頭疼的問題。電氣設(shè)備是通過電流實(shí)現(xiàn)通訊的。從根本上說，計(jì)算機(jī)通訊是通過傳遞信號(hào)“1”和“0”即導(dǎo)通和關(guān)閉信號(hào)進(jìn)行的。如果電腦元件是用石墨烯制作的，系統(tǒng)就會(huì)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而無法完成任務(wù)。因?yàn)槿鄙倌芟妒沟檬┎粫?huì)發(fā)出信號(hào)“0”，電腦將一直獲取信號(hào)“1”。相比之下，半導(dǎo)體材料則具有合適的能隙，它既能讓部分電子導(dǎo)電，又能明顯區(qū)分導(dǎo)通和關(guān)閉狀態(tài)。

想象你的電腦由石墨烯基體組建而成

不過情況也沒那么悲觀目前，研究者們主要從以下三種途徑來探索可能的解決方案：

1）使用（尋找）與石墨烯相似的新材料——這種材料本身具備了足夠的能隙，然后找出提高其導(dǎo)電性的方法。

2）改變石墨烯自身，想辦法制造出能隙。

3）將石墨烯與其他材料結(jié)合，優(yōu)化復(fù)合性能。

目前已經(jīng)有許多具備足夠能隙寬度的單層材料正被眾多科學(xué)家研究，比如MoS2——有望取代傳統(tǒng)硅材料，同時(shí)也可用作光學(xué)探測(cè)器和氣體傳感器。

對(duì)這些替代材料來說，到目前為止，唯一缺陷就是還沒有哪一種材料能媲美石墨烯的導(dǎo)電性。這些替代材料的導(dǎo)電性能夠被關(guān)閉，但當(dāng)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)并不如石墨烯一樣優(yōu)異。據(jù)估計(jì)，在小型設(shè)備中MoS2本身只具備石墨烯1/15到1/10的導(dǎo)電性。研究者們目前正在尋找能夠改變這些材料提高其導(dǎo)電性的方法。

將石墨烯作為組成部分，或許是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

令人驚奇的是，通過改性可以誘導(dǎo)激發(fā)出石墨烯的能隙！例如彎折、制作成納米帶、摻雜異種化學(xué)元素或者使用雙層石墨烯等等。但是以上改性方法都會(huì)多少影響石墨烯本身的導(dǎo)電性，或者限制其使用性。

簡而話之，將石墨烯與其他材料混合，可以使每種材料的性能相結(jié)合，從而獲得最佳性能。例如，我們可以發(fā)明一種新的電學(xué)元件，既存在能夠?qū)ɑ蜿P(guān)閉它們的材料，例如MoS2，同時(shí)這種材料在導(dǎo)通時(shí)又能具備石墨烯一樣的導(dǎo)電性。新型太陽能電池就是基于這一理念。

太陽能電池板需要能夠適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境，傳統(tǒng)做法就是添加中間層——在高效的光伏吸收材料表面裝置一層薄薄的、透明的保護(hù)性材料，這樣反過來還可以在比鄰電池之間起到良好的導(dǎo)電性。除此之外，中間層還可以是優(yōu)良的氣體選擇性檢測(cè)材料，例如用來檢測(cè)甲烷或二氧化碳的材料。

因此，各國各領(lǐng)域的研究者們都在迫切的想要找到一個(gè)最佳的組合配比——能夠適用于不同實(shí)際場合。無論最終哪位科學(xué)家摘得這項(xiàng)成果，隨之而來的必定是無盡的專利、榮譽(yù)，因?yàn)檫@對(duì)電子產(chǎn)品的性能提升彌足重要。

沒有人知道未來的電子設(shè)備將是什么樣子。在材料科學(xué)領(lǐng)域，新的“樂高積木”也一直不斷地被發(fā)西安、創(chuàng)造出來，科學(xué)家們堆積和重組積木的方式也在不停的變化?；蛟S，我們唯一可以確定的，就是未來電子設(shè)備的內(nèi)在組成形式與現(xiàn)在的相比，將發(fā)生徹底的改變！

文章來源 ：材料牛