石墨烯如何改变手机行业？

来源：digitaltrends

2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定；随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一种材料，并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。

或许你对“石墨烯”这种材质并不熟悉，但实际上它将有可能改变我们未来的数字生活。从物理学角度来说，它是世界上第一个二维材料、比人类头发细一万倍，拥有柔韧性、透明的形态，并且能够导电。而在科技领域，包括三星、诺基亚等厂商都在致力于石墨烯材质的研发及应用，有望被应用在触摸屏、电池、传感器、晶体管等各种领域。也就是说，石墨烯是一种能够改变手机等数码产品未来形态的技术，主要体现在下面5个方面：

1. 柔软且坚不可摧的触摸屏



由于石墨烯柔韧、透明且可以导电的特性，相比传统玻璃，它更适合作为屏幕面板。包括美国德克萨斯大学、韩国成均馆大学均在早期进入此领域进行研究，并取得了一定的成功；而科技公司方面，三星在2011年已经研发出40英寸的石墨烯触摸屏面板、索尼则在2012年进一步将其柔性化。

也就是说，柔性屏幕的发展可能会因为石墨烯技术而取得突破。目前，真正商用的柔性屏幕仍无法实现任意弯曲且不会损坏，预计三星会在此领域率先取得突破，提出柔性石墨烯触摸屏，应用在手机、可穿戴设备领域。

2. 充电速度更快的柔性电池



同理，石墨烯也能够应用在电池领域，解决目前电池技术的瓶颈。试想一下，一颗能够随意弯曲的电池，不仅更加安全，还可以在20秒内完成充电，显然是柔性屏幕手机的福音。这并非幻想，目前加州大学洛杉矶分校已经研制出石墨烯超级电容，厚度就如一张A4纸一般，并且具有柔韧性，可随意弯曲，量产也比较容易，充电速度是目前锂电池的100至1000倍。

除此之外，石墨烯电池也能够实现更大的容量。美国西北大学在石墨烯间的夹层加入了硅电极，来实现超出目前10倍的容量。这些案例都意味着：未来你的手机不仅会轻薄，电池电量还将达15000mAh、并且在几分钟内就可以充满。

3. 更好的镜头传感器



目前数码摄像头的传感器材质基本上都是CMOS（互补金属氧化物半导体），尺寸方面几乎很难缩小，所以全画幅单反的体积依然惊人。但如果使用石墨烯，不仅可以将其变得更加小巧、还将具有更高的光线敏感性及更少的功耗。

目前新加坡南洋理工学院研制出的石墨烯传感器，已经拥有相当于CMOS 1000倍的光线敏感性、并减少10倍的功耗，这意味着未来数码相机也许不会再出现噪点、并且可以在保持大画幅的同时减少机身尺寸。

不仅仅是科研机构，诺基亚早在2011年就已经申请了石墨烯传感器专利，我们希望在未来的微软Windows Phone上看到这个特性。

4. 石墨烯晶体管



石墨烯还有可能被应用在晶体管上，对半导体行业的影响将是巨大的。简单来说，它能够让CPU、GPU更加省电，拥有更好的散热性，集成度也更好，从而实现更广泛的性能提升。

硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽。受物理原理的制约，小于10纳米后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。然而英国科学家发明的新型晶体管将延长摩尔定律的寿命。该晶体管有望为研制新型超高速计算机芯片带来突破。值得一提的是世界最小晶体管的主要研制者也是于2004年开发出石墨烯的人，他们就是英国曼切斯特大学物理和天文学系的安德烈·K·海姆（Andre Geim）教授和科斯佳·诺沃谢洛夫（Kostya Novoselov）研究员。正是因为开发出了石墨烯，他们获得了2008年诺贝尔物理奖的提名。

由上述两人率领的英国科学家开发出的世界最小晶体管仅1个原子厚10个原子宽，所采用的材料是由单原子层构成的石墨烯。石墨烯作为新型半导体材料，近年来获得科学界的广泛关注。英国科学家采用标准的晶体管工艺，首先在单层石墨膜上用电子束刻出沟道。然后在所余下的被称为“岛”的中心部分封入电子，形成量子点。石墨烯晶体管栅极部分的结构为10多纳米的量子点夹着几纳米的绝缘介质。这种量子点往往被称为“电荷岛”。由于施加电压后会改变该量子点的导电性，这样一来量子点如同于标准的场效应晶体管一样，可记忆晶体管的逻辑状态。另据报导，英国曼切斯特大学安德烈·海姆教授领导的科研团队，除了已开发出了10纳米级可实际运行的石墨烯晶体管外，他们尚未公布的最新研究成果还有，已研制出长宽均为1个分子的更小的石墨烯晶体管。该石墨烯晶体管实际上是由单原子组成的晶体管。

5. 更快的网络

相关研究人员表示，由于石墨烯的光学响应率非常高，所以可以作为光纤传导介质，将目前的互联网速度提升100倍。相信随着研究的不断深入，石墨烯会更多被应用在电信基础设施领域。

总结

石墨烯的潜力显然是巨大的，除了上述方向，它还可以用于太阳能电池、气体传感器、海水淡化、航空航天甚至是制造更薄更强韧的保险套。随着研究的深入，包括比尔·盖茨基金会、曼彻斯特大学国家石墨烯研究所、麻省理工学院等众多机构都将加速其发展，相信在未来几年我们会看到它的实际应用价值。