石墨烯材料
關(guān)注創(chuàng)建者：寶怡 創(chuàng)建時間：2023-09-08
石墨烯材料的視頻教程
027 – COMSOL石墨烯超表面THz吸收器（含演示，80元）
石墨烯的電導(dǎo)率一般用 Kubo 公式描述，在本文中，由于研究的波段是 THz，所以可以將石墨烯的電導(dǎo)率近似為 Drude 模型。 本案例演示了如何在comsol中創(chuàng)建二維材料，計算了頻率為 0.5 ~ 2.5 THz 的入射光下該超表面的吸收率和電場分布。 計算的內(nèi)容和結(jié)果（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 1、三種結(jié)構(gòu)的吸收率。
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石墨烯材料的實例教程
在傳統(tǒng)泡沫材料中，電學(xué)性能通常不是最關(guān)鍵的性能。但是，三維石墨烯泡沫材料則截然不同，電學(xué)性能對于該材料在功能器件方面的應(yīng)用尤為重要。事實上，合成三維石墨烯泡沫材料的一個重要目的就是為了繼承單層石墨烯卓越的電學(xué)性能。盡管實驗上一直嘗試研究甚至改進(jìn)石墨烯泡沫材料的電學(xué)性能，但理論研究的缺乏制約了該方向的進(jìn)一步發(fā)展。這一尷尬局面主要源于石墨烯泡沫材料的復(fù)雜性，如石墨烯薄片的多重自由度（層數(shù)、尺寸）以及該問題的多尺度特性（涉及到電子德布羅意波長、石墨烯薄片尺度、石墨烯薄片相互接觸的特征尺度）。
近期，中國科學(xué)院力學(xué)研究所副研究員劉峰與王超合作提出了一種理論框架，系統(tǒng)研究了三維石墨烯泡沫的導(dǎo)電性能，并在該體系中發(fā)現(xiàn)了電導(dǎo)率極大現(xiàn)象。在該理論框架中，導(dǎo)電過程被分為兩個等級。第一級，即最底層，利用介觀輸運理論結(jié)合緊束縛模型研究石墨烯薄片間的電導(dǎo)。第二級，通過分子動力學(xué)模擬研究三維石墨烯泡沫材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并提取平均接觸面積、平均接觸點密度等幾何特征。結(jié)合這兩方面信息即可理論計算石墨烯泡沫材料的電導(dǎo)及電導(dǎo)率。該研究發(fā)現(xiàn)石墨烯泡沫材料存在電導(dǎo)率極大現(xiàn)象（即隨石墨烯薄片層數(shù)的增加，電導(dǎo)率先增大后減小），并進(jìn)一步揭示了該現(xiàn)象的物理機制。
眾所周知，在傳統(tǒng)泡沫材料中，存在一個優(yōu)化泡沫密度使熱絕緣能力達(dá)到最強，這源于固體中熱傳導(dǎo)與熱輻射之間的競爭。而該研究首次在理論上提出存在一個優(yōu)化層數(shù)使三維石墨烯泡沫材料電導(dǎo)率達(dá)到最大，并對其物理機制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。該工作為優(yōu)化三維石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能提供了理論基礎(chǔ)，并將促進(jìn)該材料在功能器件方面的應(yīng)用。
進(jìn)一步，該研究還分析了變形下三維石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能。在循環(huán)加載下，電阻的變化逐漸趨于穩(wěn)定，同時伴隨有滯回環(huán)的出現(xiàn)，這與實驗觀測定性一致。
展開 在納米厚度級別下，不同厚度石墨烯的散熱效果相差不大，因此，在考慮經(jīng)濟的前提下，只需在散熱器基底鍍上一層很薄的石墨烯即可改善散熱效果,這將為LED散熱在石墨烯材料的實際應(yīng)用中，要想充分發(fā)揮石墨烯的高熱導(dǎo)率對LED結(jié)溫的改善作用必須進(jìn)一步研究石墨烯材料與金屬材料的結(jié)合形式。
隨著全球環(huán)保意識的加強，人們對節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)的新材料關(guān)注度增加。石墨烯作為一種新興的材料，有“新材料之王”的美譽。又薄又硬的石墨烯是很多領(lǐng)域的首選材料，同時它具有非常良好的電學(xué)特性，是電子產(chǎn)業(yè)未來創(chuàng)新和發(fā)展的革命性材料。硅是如今應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，而石墨烯除了擁有不遜色于硅的半導(dǎo)體屬性之外，它還擁有很多硅不具備的其它優(yōu)點，有專家預(yù)測，石墨烯很可能成為替代硅的絕佳選擇，這取決于它的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情況。
由于硅材料的加工極限被認(rèn)為是10納米線寬，換句話說，隨著制程小于10納米，很難制出穩(wěn)定的硅產(chǎn)品，產(chǎn)品要想實現(xiàn)更高的集成度和性能，必須采用新的半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工，石墨烯是一種新選擇。
石墨烯在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主要由集成電路、光電子、分立器件和傳感器組成，一種新的半導(dǎo)體材料想得到市場的認(rèn)可需遵循很多規(guī)律，光電效應(yīng)和霍爾效應(yīng)就是最重要的兩個定律。科學(xué)家曾在常溫下觀察到了石墨烯的量子霍爾效應(yīng)，這種材料碰到雜質(zhì)時不會產(chǎn)生背散射，這說明它有很強的導(dǎo)電性。由于石墨烯看上去幾乎是透明的，它的光學(xué)特性優(yōu)異，其光學(xué)特性隨石墨烯厚度的改變而改變，這種特性很適合應(yīng)用于光電子領(lǐng)域。石墨烯材料未來可能應(yīng)用在顯示屏、電容器、感光元件、晶體管、傳感器等領(lǐng)域。
一、柔性顯示屏
柔性顯示屏是一種非常有前景的電子設(shè)備，其特點是超柔、超薄等，而制約其發(fā)展的一大關(guān)鍵就是材料，石墨烯材料的特性讓人們對柔性顯示屏的前景有了新的認(rèn)識。近年來，全球都在積極探索相關(guān)的技術(shù)，據(jù)悉，韓國曾制造出了多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明顯示屏，中國的奧翼電子將石墨烯用于顯示技術(shù)，制造了石墨烯電子顯示屏，這種屏幕耐摔、耐撞、透光率高且顯示亮度非常好。石墨烯的透明性和柔韌性等特點，在柔性顯示屏行業(yè)的前景不可限量。
展開 報道認(rèn)為，更重要的是引領(lǐng)下一代集成電路技術(shù)，其中，石墨烯等具有驚人特性的材料已經(jīng)開始從實驗室躍入日常生活，并將在其中發(fā)揮重要作用。歐盟已經(jīng)開始致力于這項新技術(shù)的研發(fā)，但傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體在中期內(nèi)仍將是必不可少的。
“現(xiàn)在要想替代硅非常困難”，西班牙阿拉貢納米科學(xué)與材料研究所的研究員勞爾·阿雷納爾坦言，“硅的性能良好。它是一種在純度方面可以控制得很好的材料，而且成本非常低。一旦將硅材料的這些優(yōu)點放在比較的天平上，硅就很難被擊敗。然而，幾十年來，人們一直在尋找硅的替代品，近年來更是如此，因為硅材料正在達(dá)到減小晶體管尺寸的物理極限。”
主要的替代方案之一是所謂的二維材料——即那些具有長度和寬度、但厚度僅一兩個原子的材料，因此它們實際上幾乎沒有厚度。由碳原子的6邊形晶格組成的石墨烯材料是最受歡迎的。由這種材料制成的芯片有朝一日可能會取代硅芯片，但該設(shè)想在未來幾年內(nèi)還難以實現(xiàn)，這方面仍有待進(jìn)一步研究。最重要的是，有必要確保這些未來材料能夠以可接受的成本進(jìn)行可靠的生產(chǎn)。
“歐洲在石墨烯研究和技術(shù)開發(fā)方面處于有利地位，而且正在采取正確的研發(fā)步驟，”西班牙石墨烯公司的科學(xué)總監(jiān)阿馬婭·蘇魯圖薩說。西班牙石墨烯公司是一家專門從事石墨烯材料研發(fā)的企業(yè)。事實上，歐盟在2013年投資了10億歐元，以推動之后10年內(nèi)的石墨烯技術(shù)發(fā)展。最近一年來，石墨烯材料的3條試驗生產(chǎn)線已經(jīng)投入運行。蘇魯圖薩還稱，“我們想表明石墨烯材料具有競爭優(yōu)勢，它可以在芯片內(nèi)實現(xiàn)我們想要的目標(biāo)，我們正走在正確的軌道上。”
情況并非總是如此，由于在歐洲生產(chǎn)芯片的成本更高，所有生產(chǎn)都被外包給了亞洲。
展開 石墨烯（Graphene）其實就是單層石墨，強度大（比鋼強200倍）且導(dǎo)電性優(yōu)。據(jù)外媒報道，福特宣布將在福特F－150皮卡車和福特野馬（Ford Mustang）等乘用車的引擎蓋下使用石墨烯。
與Eagle Industries和XG Sciences合作，福特提出一種方法，將在燃油導(dǎo)軌蓋、泵蓋和前發(fā)動機蓋等十多個發(fā)動機艙部件中采用石墨烯材料。石墨烯非常薄，但是非常柔韌，且具有非常強的隔音性能，其將與泡沫材料混合，形成在強度和降噪方面都非常優(yōu)異的新部件。
測試顯示，與沒有任何石墨烯含量的相同泡沫材料相比，福特的含石墨烯泡沫材料可將噪音降低17％，機械性能提高20％，耐熱性能提高30％，而且最重要的是，含石墨烯的材料并沒有增加部件重量。
雖然部件添加蓋子通常會增加重量，從而損害汽車的燃油經(jīng)濟性，但是石墨烯具輕質(zhì)特性，實際上，其會降低整體部件的重量。福特可持續(xù)發(fā)展和新興材料高級技術(shù)負(fù)責(zé)人Debbie Mielewski表示：“我們?nèi)〉玫耐黄撇辉谟?em>材料本身，而在于我們?nèi)绾问褂迷?em>材料。我們使用非常小的量，不到0．5％的石墨烯就可顯著提升部件耐用性、降噪性并且減輕重量。”
福特表示，今年年底，該新石墨烯材料將用于福特F－150和福特野馬車型發(fā)動機艙部件的生產(chǎn)，之后再將其擴展用于福特乘用車陣容中的其他車型。
來源：OFweek中國高科技行業(yè)門戶
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石墨烯材料的最新內(nèi)容
?主題?：“新材料、新機遇、新征程”
?預(yù)計規(guī)模?：
展出面積：?20,000平方米?（較2025年增長33%）
參展企業(yè)：?約400家?，覆蓋20多個國家和地區(qū)
觀眾預(yù)期：超2萬人次
?核心聚焦領(lǐng)域?：
AI智算中心、智能汽車、半導(dǎo)體等高熱流密度場景下的熱管理技術(shù)
液冷散熱規(guī)模化應(yīng)用
展品范圍（六大板塊）
?導(dǎo)熱散熱石墨?：石墨烯
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學(xué)的未來前景一片光明。一旦企業(yè)能夠生產(chǎn)出穩(wěn)健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學(xué)納米技術(shù)將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協(xié)同作用的關(guān)鍵。
到2031年，表面等離子體光子學(xué)材料市場的價值將從2023年的近110億美元增長到近400億美元，年增長率約為15.5%。
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學(xué)的未來前景一片光明。一旦企業(yè)能夠生產(chǎn)出穩(wěn)健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學(xué)納米技術(shù)將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協(xié)同作用的關(guān)鍵。
到2031年，表面等離子體光子學(xué)材料市場的價值將從2023年的近110億美元增長到近400億美元，年增長率約為15.5%。
無論是紅外輻射涂料、遠(yuǎn)紅外陶瓷粉、遠(yuǎn)紅外纖維等功能材料，還是石墨烯紅外散熱材料、硅酸鋁陶瓷纖維棉等新型材料，其紅外功能特性的表征都離不開發(fā)射率測量。
在高校和研究所的實驗室里，這類設(shè)備被廣泛用于紅外功能材料的研究與開發(fā)。研究人員可以快速驗證材料配方的紅外性能，加速新材料從實驗室到市場的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。
█展品范圍：
1、導(dǎo)熱散熱石墨：石墨烯、導(dǎo)熱石墨材料、石墨散熱膜、石墨化薄膜、導(dǎo)熱石墨、石墨散熱片、石墨膜、石墨絕緣膜、石墨膜卷材及相關(guān)設(shè)備等;
2、導(dǎo)熱散熱材料：離型膜、氧化鋁、球形氧化鋁、氫氧化鋁、球鋁、角鋁、氫鋁、微硅粉、氧化鋯、導(dǎo)熱粉體、石墨烯粉體、導(dǎo)熱膜、石墨烯薄膜、納米材料、納米碳材料、液態(tài)金屬導(dǎo)熱片、硅膠片、塑料、絕緣材料、界面材料、雙面膠、基板、導(dǎo)熱矽膠布、膠帶、碳納米管、金剛石
圖 1-1模型示意圖
本案例使用“自動計算透反率模式”研究石墨烯和特異介質(zhì)的相互作用，分析透反率在有無石墨烯存在情況下的變化。光源處于近紅外波段。
模型為周期結(jié)構(gòu)，圖中只顯示了該結(jié)構(gòu)的一個單元，其中綠色介質(zhì)為石墨烯（采用無色散介質(zhì)建模），黃色介質(zhì)為金，灰色介質(zhì)為 Si3N4，金介質(zhì)層中有空氣狹縫。光源從石墨烯的一側(cè)入射，并設(shè)為開放邊界，其余向設(shè)置為周期邊界。
圖 1-1模型示意圖
本案例使用“自動計算透反率模式”研究石墨烯和特異介質(zhì)的相互作用，分析透反率在有無石墨烯存在情況下的變化。光源處于近紅外波段。
模型為周期結(jié)構(gòu)，圖中只顯示了該結(jié)構(gòu)的一個單元，其中綠色介質(zhì)為石墨烯（采用無色散介質(zhì)建模），黃色介質(zhì)為金，灰色介質(zhì)為 Si3N4，金介質(zhì)層中有空氣狹縫。光源從石墨烯的一側(cè)入射，并設(shè)為開放邊界，其余向設(shè)置為周期邊界。
來源 | 高超課題組
浙江大學(xué)高超教授團隊和合作者針對石墨烯和石墨烯纖維材料，以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，進(jìn)行了長期積累研究，取得了豐富的系列研究成果。主要包括：
石墨烯領(lǐng)域研究（Adv. Fiber Mater. 2024, 6 (1), 68-105；Appl. Phys.
模型預(yù)覽
ANSYS石墨烯三維幾何模型及網(wǎng)格劃分。
建模教程
采用CAD石墨烯生成器進(jìn)行建模，并將模型導(dǎo)入ANSYS內(nèi)，具體建模步驟如下。
1.CAD模型生成后將兩個圖層內(nèi)容利用并集命令分別進(jìn)行合并。
2.將球體圖層內(nèi)容在原位置復(fù)制一份。
3.運用差集命令將紅色化學(xué)鍵與一份藍(lán)色原子進(jìn)行差集操作
模型預(yù)覽
COMSOL石墨烯三維幾何模型及網(wǎng)格劃分。
建模教程
采用CAD石墨烯生成器進(jìn)行建模，并將模型導(dǎo)入COMSOL內(nèi)，具體建模步驟如下。
1.CAD模型生成后將兩個圖層內(nèi)容利用并集命令分別進(jìn)行合并。
2.將球體圖層內(nèi)容導(dǎo)出為sat格式。
3.運用差集命令將紅色化學(xué)鍵與藍(lán)色原子進(jìn)行差集操作
