6种主要的<span style='color:red'>石墨烯</span>传感器工作原理及应用
  一、气体传感器  基于石墨烯的气体分子检测传感器的工作原理是测量材料导电率的变化。基于石墨烯的气体传感器的工作原理是在石墨烯表面吸附气体分子,作为电子的供体或受体。  研究表明,用石墨烯可以测量传导的量子尺度变化。考虑到这一点,将这些传感器推向最佳水平以检测单个气体分子的可能性似乎是可信的。这种最终的灵敏度可能与几个因素有关,包括测量时的温度和目标气体的流速。  在这一应用中,石墨烯拥有作为一种极低噪声材料的优势。正因为如此,即使在没有载流子和多出几个电子的极限情况下,石墨烯的载流子浓度也能够发生很大的变化。除了这个优点之外,石墨烯在这个应用中还可以在单晶上创建四探针器件。这保证了任何接触电阻对限制灵敏度的影响都被消除了。  二、化学传感器  也有研究表明,石墨烯是电解质栅极配置中有效的化学传感器。基于石墨烯的顶栅绝缘体可以在电解质中制造薄至1至5纳米,浓度为几毫摩尔。即使是最好的、采用原子层沉积(ALD)的顶栅石墨烯场效应晶体管(FET)也无法与这些水平相匹配。  在电化学DNA传感器、葡萄糖传感器等氧化酶生物传感器的电极材料,以及环境分析,特别是重金属离子检测方面,基于石墨烯的电化学传感器已经被开发出来。  研究表明,石墨烯在酶的直接电化学、小生物分子的电化学检测和电分析三个方面都优于碳纳米管。尽管取得了这一成功,但目前还不能批量生产这些应用所需的石墨烯,尽管这种情况正在迅速改变。  三、光学传感器  光电传感器的市场与透明导体中的铟锡氧化物(ITO)替代物基本相同。石墨烯的高导电性和近乎透明的特性使其成为光电电池和光电传感器中透明电极的一个吸引人的选择。  三星已经制造出了一款使用石墨烯替代ITO的触摸屏显示器产品,不过目前还不清楚这究竟是一个商业企业,还是仅仅展示了基于石墨烯的触摸屏显示器是未来的一种可能性。不管是哪种情况,石墨烯相对于ITO的关键优势在于,它与柔性屏幕的兼容性更强。  基于石墨烯的光电探测器的工作原理是测量光子通量。它通过将吸收的光子能量转换为电流来测量。与基于IV族和III-V族半导体的传统探测器相比,石墨烯基光电探测器具有更宽的工作波长范围。此外,石墨烯拥有比其他材料更优越的载流子迁移率,这意味着它的响应时间比其他光电探测器的响应时间快得多,这应该会转化为超快的光学传感器。  四、磁场传感器  最初,石墨烯似乎并不是磁场传感器应用的合适选择。典型的InAs传感器的室温霍尔系数要远远好于基于石墨烯的传感器,但是,当我们清楚石墨烯的厚度只有0.34纳米,而InAs的厚度为12纳米时,就会发现,与InAs相比,石墨烯确实具有吸引人的霍尔效应电阻。  此外,与典型的二维电子气体器件不同,石墨烯不必隐藏在额外的层下,这确实使其在霍尔效应传感方面具有一定的优势。  虽然最近的一些研究在一定程度上克服了这个问题,但基于石墨烯的磁场传感器在室温下电子的热激发比石墨烯的这种磁阻效应更占优势。  五、机械式传感器  机械传感器可以检测物理特性的变化,例如,通过感知影响材料的物理变形来检测材料何时受到了压力。机械传感器还能够检测谐振频率的变化,以及测量质量、力、压力、应变、速度、加速度和重量。  研究人员此前已经表明,石墨烯可以成功地用作应变和压力传感器。在基于石墨烯的应变和压力传感器中,利用石墨烯作为一种活性材料来感知物理信号,包括应变和压力。由于石墨烯材料具有较高的导电性,因此常被用作石墨烯基应变和压力传感器的导电层或电极。  传统的石墨烯基应变和压力传感器的传导方式包括电阻式、电容式和压电式。电阻式传感器将外力转化为电阻的变化,通过电信号的改变,可以直接被预埋的检测电路检测到。它通过电阻的变化获得电阻传感信号,电阻效应是石墨烯的特性。  由于石墨烯的高导电性和良好的机械性能,石墨烯基电阻传感器获得了超高的灵敏度。作为一种常见的应变和压力传感器,石墨烯基电阻传感器的优点很多,包括:检测范围广,简单的设备建设信号测试电容式传感器可以通过将机械刺激信号转换为位移信号来检测不同形式的力。位移的变化会导致电容的变化,由于石墨烯具有高水平的导电性、吸引人的机械性能和大的比表面积,因此它是电容式传感器中电导体和电极的绝佳选择。  高灵敏度和快速响应的压电材料被广泛应用于压力传感器中,将压力转换成电信号。压电材料在机械变形时,会产生电荷,而电荷的作用也是相反的,所以当外部电场施加到压电材料上时,压电材料会发生机械变形。对此的研究表明,石墨烯可以被工程化,使其具有压电特性。  研究还表明,单层石墨烯可以实现负压电效应,双层和多层石墨烯可以实现正压电传导效应。基于石墨烯的压电传感器由于具有超快的响应时间和超高的灵敏度,已被用于检测连续静压信号和垂直振动。  六、柔性传感器  石墨烯基材料在柔性和可拉伸的应变和压力传感器、光电探测器、霍尔传感器、电化学传感器和生物传感器方面已经显示出潜力。  由于石墨烯固有的柔韧性,当对其施加机械应变时,其电性能不会降低。因此,石墨烯一直被认为是制造高伸缩性和柔性传感器和其他电子器件的理想材料。  对这一领域的进一步调查研究表明,柔性应变传感器可以由压阻石墨烯、微流体液态金属和可拉伸151弹性体制成。为了实现石墨烯传感元件的柔性电接触,将液态金属放入微流体通道中作为互连材料。  柔性应变传感器在可穿戴电子产品中可能会有应用,特别是在运动和锻炼过程中的监测目的。目前已有研究人员利用一种具有压缩特性的石墨烯基复合纤维开发出了这种类型的柔性应变传感器,并将其集成到可穿戴式应变传感器中。该传感器结构由以聚氨酯为核心纤维、聚酯纤维为高弹性纱线组成的。
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发布时间:2022-05-26 11:21 阅读量:2446 继续阅读>>
传P40将搭载<span style='color:red'>石墨烯</span>电池?华为这样回应
日前,一则华为法国官方推特发布的有关石墨烯电池消息引起了网友的关注。有媒体认为,该推文预示着华为P40系列有可能会首次配备石墨烯电池,华为这样回应……实际上,华为法国这条推文发布自上周六。同时当初转发的消息也是来自网络上有关华为P40系列的爆料,包括华为P40 Pro将会搭载石墨烯电池,华为将会是第一个发布配备石墨烯电池的高端智能手机制造商等等。今日中午,华为手机产品线副总裁李小龙对媒体表示,该消息不属实。此外,华为法国推特也删除了该推文。据行业人士分析,华为法国的推特的管理者可能相信了“著名的泄密者”Yash Raj Chaudhary发的电池谣言推特,导致了舆论混乱。事情的开端,是有外媒记者援引爆料者@Yash Raj Chaudhary发消息称,华为将成为第一家发布配备石墨烯电池智能手机的厂商,预计有可能与华为P40系列联袂登场。报道还提到,该机的电池容量为5000mAh,体积却比传统电池体积缩小30%,可实现45分钟快捷充电。随后华为法国推特转发了这篇文章,并突出了提到了可在45分钟充满电池这一特性,似乎是在暗示华为P40 Pro有可能首发石墨烯电池技术。不过,目前华为法国已经将这篇推文已经被删除。法国媒体Frandroid的报道称,华为法国已经证实该条推文并不是官方信息,仅仅是谣言而已。不过,这并不代表华为P40系列在电池方面没有任何进步。根据消息人士披露的说法,现在确实有部分充电激进的手机如华为P40系列,可能将在电池方面会采用新材料,但主要的提升是在安全性和充电转换率等方面。另有产业链的人士的表示,华为P40 Pro有很大概率会采用陶瓷机身,并且不会出现因为陶瓷机身而影响信号的问题。当然,陶瓷机身不仅拥有更好的质感和耐磨性能,而且还能提升手机的档次,符合华为冲击高端市场的产品策略。事实上,有关于华为手机将会搭载石墨烯技术电池的消息已经传过很多次。早前新加坡《联合早报》曾经报道,华为下代旗舰将会配备石墨烯电池。此外,综合已经曝光的相关传闻来看,华为P40 Pro还将配6.5英寸OLED瀑布屏,具备2K分辨率和120Hz刷新率,屏占比更是高达98%;搭载有徕卡认证后置五摄,即6400万像素主摄、2000万像素超广角、1200万像素潜望镜远摄镜头,微距镜头和ToF相机。这些参数尚未得到华为官方证实。为此华为官方曾回应称,对于市场传闻公司不予置评。目前,有关于华为P40系列的消息可能只有发布时间了。华为消费者业务CEO余承东曾透露,华为P40系列将于明年三月份发布。
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发布时间:2019-12-25 00:00 阅读量:1436 继续阅读>>
石墨膜国内技术成熟稳定 <span style='color:red'>石墨烯</span>膜国产优势明显
石墨是相较于铜和铝等金属更好的导热材料,主要原因在于石墨具有特殊的六角平面网状结构,可以将热量均匀地分布在二维平面并有效地转移。在水平方向上,石墨的导热系数为300~1900W/(m·K),而铜和铝的导热系数约为200~400W/(m·K)。在垂直方向上,石墨的导热系数仅为5~20W/(m·K)。因此,石墨具备良好的水平导热、垂直阻热效果。同时,石墨的比热容与铝相当,约为铜的2倍,这意味着吸收同样的热量后,石墨温度升高仅为铜的一半。此外,石墨密度仅为0.7~2.1g/cm3,原低于铜的8.96g/cm3和铝的2.7g/cm3,因此可以做到轻量化,能够平滑粘附在任何平面和弯曲的表面。随着技术改善,石墨膜的加工工艺更加成熟,目前最薄可到0.01mm,其水平轴的导热效率也高达1,900W/(m·K)。然而,石墨散热片并不是越薄越好,关键是要将功率器件和散热器之间的缝隙填满。因此,不同应用场景下使用的石墨散热膜各有不同。主流的散热膜有天然石墨散热膜、人工合成石墨散热膜和纳米碳散热膜三种。(1)天然石墨膜:完全由天然石墨制成,在真空条件下不会发生脱气现象,在400℃以上的温度也可继续使用,最低能做到0.1mm左右,主要应用在数据中心、基站和充电站等。(2)人工石墨散热膜:由聚酰亚胺(PI膜)经过碳化和石墨化制成,是当前最薄的散热膜材料,最薄可做到0.01mm,广泛应用于手机、电脑等智能终端产品。(3)纳米碳散热膜:由纳米碳(石墨同素异构体)制成,最薄可做到0.03mm,散热功率可高达1000~6000。由于纳米碳散热膜加工工序简单,只需要开模和冲切,成本低售价也低。智能手机中主要使用人工合成石墨膜,用量视手机性能和要求而定,大概在3~6片,使用到的部件包括镜头、CPU、OLED显示屏、WiFi天线、无线充和电池等。其中CPU对散热的性能要求最高,其次是无线充,再次是镜头和电池,最后是显示屏和WiFi天线。目前,高导热石墨膜的价格约为0.2~0.3美金/片。初步估算,单机石墨膜价值量为1~2美金。未来,随着智能手机更多创新型的电子化设计,单机石墨膜价值量有望进一步提升。行业竞争激烈,价格持续走低目前导热石墨膜行业主要参与者为日本松下、美国Graftech、日本Kaneka、碳元科技、中石科技和飞荣达等国内外企业。日本松下和美国Graftech进入该领域较早,技术较为成熟,是先行者。国内碳元科技、中石科技和飞荣达等技术成熟且相对领先,并且成功进入三星、华为等主要手机生产商的供应链体系。由于行业进入门槛相对较低,众多厂商参与进来,导致价格竞争激烈,产品价格持续走低。根据碳元科技和中石科技招股说明书等公告披露,2014年以来,单层和多层高导热石墨膜价格持续下滑,已经从2014年400元/㎡下降至2017年的180元/㎡左右。PI膜是人工石墨膜的核心材料,高端产能集中在国外厂商手中智能手机中广泛使用的人工石墨散热膜是由聚酰亚胺(PI膜)经过碳化和石墨化制成的。聚酰亚胺、胶带和保护膜等是上游关键原材料,其中又以聚酰亚胺(PI膜)为主,成本占比高达30%。PI膜是一种高性能的绝缘材料,可广泛应用于卫星导航、数码产品、计算机、手机等领域。该产品具有较高的技术壁垒,全球范围内生产厂商较少,高端主要有美国杜邦、日本Kaneka、韩国SKPI等,其中美国杜邦公司占据全球40%以上的高性能聚酰亚胺薄膜市场,是PI膜厂商龙头,产品品种齐全,能够满足各类PI 薄膜应用需求。国内厂商主要生产低端产品。导热系数最高、导电性能好,下游锂电材料和导热膜空间巨大石墨烯是已知的导热系数最高的物质,理论导热率达到5300W/m·K,远高于石墨。它是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体,厚度仅为0.335nm,又称为单层石墨,是碳纳米管、富勒烯的同素异形体。根据中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准,单层石墨烯指由一层碳原子构成的二维碳材料。石墨烯的快速导热特性与快速散热特性,使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料,广泛用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED照明、超薄LCD电视等散热。除高导热性之外,石墨烯还有其他优异的理化特性,因此下游应用广泛。例如,导电性高,可应用在集成电路、导电剂、传感器和锂电等领域;比功率高,可作为超级电容和储能元件;柔性强,弯折不影响性能,可作为柔性材料用于曲面屏和可穿戴设备;具有高透光率,可用于透明导电薄膜。锂电材料和导热膜有望成为最大的下游应用。华为在2019年发布的Mate20X智能手机中,首次将石墨烯用做散热材料,石墨烯锂电池也有望在手机端实现商用推广。从市场规模来看,根据中商产业研究院的测算,锂电池材料的市场空间最大,有望达到40~50亿元,其次是导热膜,有望达到15~20亿元,此外复合材料的市场空间也在20亿元左右。根据中国石墨烯产业联盟的统计,我国石墨烯产业规模从2015年的1630万美元增长到2016年的3842万美元。随着石墨烯量产的解决和下游的拓展,预计2020年我国石墨烯市场规模将达到2亿美元,超过全球市场的50%,成为最大的石墨烯消费国家。我国石墨烯产业全球领先,参与者众多我国石墨烯理论研究和产业化均位居世界前列。理论研究方面,根据石墨烯产业联盟的数据,截止2016年,在全球主要优先权专利申请统计中,我国石墨烯专利占比达58%(其次是韩国和美国);产业化方面,石墨烯在战略前沿材料中占据关键地位,中国计划实现石墨烯产业“2020年形成百亿产业规模,2025年整体产业规模破千亿”的发展目标。根据中国石墨烯产业联盟的统计,中国石墨烯生产企业已经从2015年的300多家增长到2016年的400多家。在石墨烯导热膜方面,常州富烯技术领先并最先在智能手机中实现商用。根据常州市武进区政府官网,该公司生产的石墨烯导热膜已经广泛应用至华为mate20系列、P30系列等多款终端产品。
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发布时间:2019-10-21 00:00 阅读量:1875 继续阅读>>
半导体行业的硅材料工艺已到极限,<span style='color:red'>石墨烯</span>能否取代硅?
随着全球环保意识的加强,人们对节能、环保、可持续的新材料关注度增加。石墨烯作为一种新兴的材料,有“新材料之王”的美誉。又薄又硬的石墨烯是很多领域的首选材料,同时它具有非常良好的电学特性,是电子产业未来创新和发展的革命性材料。硅是如今应用最广泛的半导体材料,而石墨烯除了拥有不逊色于硅的半导体属性之外,它还拥有很多硅不具备的其它优点,有专家预测,石墨烯很可能成为替代硅的绝佳选择,这取决于它的产业化发展情况。由于硅材料的加工极限被认为是10纳米线宽,换句话说,随着制程小于10纳米,很难制出稳定的硅产品,产品要想实现更高的集成度和性能,必须采用新的半导体材料进行加工,石墨烯是一种新选择。石墨烯在半导体产业具有广阔的应用前景半导体产业主要由集成电路、光电子、分立器件和传感器组成,一种新的半导体材料想得到市场的认可需遵循很多规律,光电效应和霍尔效应就是最重要的两个定律。科学家曾在常温下观察到了石墨烯的量子霍尔效应,这种材料碰到杂质时不会产生背散射,这说明它有很强的导电性。由于石墨烯看上去几乎是透明的,它的光学特性优异,其光学特性随石墨烯厚度的改变而改变,这种特性很适合应用于光电子领域。石墨烯材料未来可能应用在显示屏、电容器、感光元件、晶体管、传感器等领域。一、柔性显示屏柔性显示屏是一种非常有前景的电子设备,其特点是超柔、超薄等,而制约其发展的一大关键就是材料,石墨烯材料的特性让人们对柔性显示屏的前景有了新的认识。近年来,全球都在积极探索相关的技术,据悉,韩国曾制造出了多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏,中国的奥翼电子将石墨烯用于显示技术,制造了石墨烯电子显示屏,这种屏幕耐摔、耐撞、透光率高且显示亮度非常好。石墨烯的透明性和柔韧性等特点,在柔性显示屏行业的前景不可限量。 二、电容器电容器是最常见的一种电子元器件之一,它广泛用于各种电路中,主要作用是实现调谐、滤波、耦合和隔直通交等,很多的电子设备中都有电容器。随着人们对充电速率和容量的要求,一种新型的超级电容器应运而生。据了解,科研人员发明了一种以石墨稀作为电极材料的电容器,它由两层石墨烯组成,基于石墨烯的超级电容器在充电和放电上性能卓越,很适合拥有新能源汽车充放电上。 三、感光元件感光元件在数码相机上应用广泛,石墨烯的光学特性让人们对这种材料的感光元件充满期待。石墨烯具有独特的光学特性可以调谐电,在特殊光照下,石墨烯拥有一个非线性相移的光学非线性克尔效应。 据外媒报道,新加坡曾有研究人员用石墨烯材料制作一种特殊的感光元件,这种器件感光度超级棒,因为石墨烯感光元件能够检测到广谱光,在弱光的情况下,它的优势非常明显。 四、晶体管晶体管是一种固体半导体器件,在整流、放大、稳压和信号调制上有着不可替代的作用。石墨烯材料也可制作晶体管,和硅材料制作的晶体管相比较,石墨烯的超强稳定性使得其寿命更长,用途更广泛。据了解,IBM公司曾在2010年制作了一款石墨烯晶体管,其特性远超同类的硅晶体管,未来的前景非常广阔。 五、传感器传感器几乎是信息时代的“标配”产品,用石墨烯做成的传感器非常有优势,因为它的灵敏度可以远超同类产品。石墨烯具有独特的二维结构,这使得它对周围的环境非常敏感。在医学上,石墨烯传感器的感光特性能实现对很多病历的检测,这是由于它的纳米特性和感光性,很多传统传感器无法实现。石墨烯想要替代硅需解决这几大难题1、石墨烯的行业标准新材料作为一种新兴的产业,每年都在快速的发展,但是当前整个产业面临的一大难题就是缺乏统一的行业标准。国际标准和我国标准不一样,这就导致了很多的新技术无法实现共通和研究,制约了整个产业发展。未来我国要想发展相关的技术,除了闭门造车之外,还需要积极地参与到国际标准的制定中,将我国的技术成果和国际上接轨,一起推动全球石墨烯的行业标准的建立。 2、石墨烯的制造价格昂贵石墨烯由单层碳原子组成,超完美的柔韧性是很多制造业的理想材料,如今制造石墨烯材料的成本非常高。目前行业采用CVD设备制作单层石墨烯,由于缺乏完善的工艺技术,导致石墨烯的产品良率很低,这个问题困扰了行业很近,仍有待解决。 3、石墨烯材料的生态待完善对于石墨烯的应用,目前中小企业似乎比巨头们更积极,它们对于石墨烯的采用是主体。中国的很多大企业目前对于石墨烯材料仍处于观望态度,这也导致了整个行业发展的缓慢。据相关数据统计,截至2018年底,我国从事石墨烯材料研究的企业近千家,近一半的企业处于持平状态,上市企业不到十家。 石墨烯材料的发展现状以全球石墨烯行业的发展现状而言,美国和欧洲掌握了前沿的石墨烯技术,它们的专利和技术更牛。中国是近几年开始大力发展相关技术,也取得了很大的进步。中国每一年的石墨烯企业都在增加,而且很多企业已经实现了盈利,出现了几家有影响力的企业,如第六元素、二维碳素、凯纳股份、华高墨烯等,它们的产值已经跻身世界前列。 石墨烯材料的前景不可估量,虽然目前我国的产业链仍不成熟,但是我国有着非常好的应用和石墨烯矿石,这给我们成为石墨烯行业领导者奠定了基础,未来随着相关企业的崛起,中国的石墨烯产业前景非常可观。
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发布时间:2019-01-22 00:00 阅读量:1993 继续阅读>>
<span style='color:red'>石墨烯</span>传感器创新物联网应用
英国曼彻斯特大学的研究人员将石墨烯传感器嵌入于RFID装置中,实现了免用电池的无线智能湿度监测器;藉由这项研究推动石墨烯技术结合其他2D材料的可能性,从而为无线感测应用开创新的物联网应用…英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的研究人员将石墨烯传感器嵌入于无线射频辨识(RFID)装置中,以实现免用电池的无线智能湿度监测器。这项研究的目标是实现物联网(IoT)在制造业、食品安全、医疗保健以及像核废料处理等敏感操作环境的应用。研究人员在发表于《科学报告》(Scientific Reports)的论文中描述了他们的研究。透过将石墨烯氧化物(GO,石墨烯的衍生物)分层到石墨烯上以创建软性的异质结构,该团队开发了用于远程监控的湿度传感器,并能够连接到任何无线网络。该实验装置不需要电池供电,因为它能从接收器采集电力。据研究人员介绍,这些传感器可以逐层打印,以极低的成本实现大规模量产。研究小组负责人Zhirun Hu预测,这项研究将致使“这一技术在未来与其他2D材料整合的可能性,从而开创无线感测应用的新局面”。根据这篇论文,这项研究还涉及在GHz频率的各种湿度条件下测量GO的相对介电常数。研究人员发现,相对介电常数随着吸水量的增加而增加。在GHz频率环境下的实验结果,不同于几MHz或更低频率环境下的结果,在低频环境下,相对介电常数随着湿度的降低而增加。研究人员利用石墨烯氧化物的这种电性能,透过在石墨烯天线上涂覆GO层来制作无电池无线的RFID湿度传感器。GO/石墨烯天线的谐振频率以及反向散射相位对周围湿度变得特别敏感,并且可以由RFID读取器检测到具体数值。因此,该结构允许将数字辨识组件放置在任何位置或物品上实现无线湿度监测,并为物联网应用的低成本高效率传感器铺路。传感器可以逐层打印,以低成本实现大规模量产;该技术适用于一系列2D材料(来源:University of Manchester)石墨烯于2004年在曼彻斯特大学被发现,是第一个被分离出的2D材料。它比钢更坚固,重量更轻、更软,导电性也比铜好。自从石墨烯被发现以后,陆续有其他一些2D材料被鉴定出来,而且这一串名单还在继续增加中。科学家们透过将2D材料按照精确选择的顺序分层,以创建范德华(van der Waals)异质结构,发现他们可以制造出针对特定用途的高性能结构。负责协调湿度传感器项目的曼彻斯特大学教授Konstantin Novoselov于2010年荣获诺贝尔物理学奖,他称该项目是“可印刷技术的第一个例子,能让几种2D材料汇集在一起,创造出适合工业应用的功能组件。物联网是一个快速成长的技术领域,我相信2D材料将在这里发挥重要作用。”
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