成了圆晶规模、外延生长的石墨烯，通过该材料制作而成的场效应晶体
管 (FET)，其截止频率可达 100 吉赫兹(GHz)，这是迄今为止运行速度
最快的射频石墨烯晶体管。此一突破清楚地表明了石墨烯可用以制造高
性能器件和集成电路。
石墨烯锂电池
三星
三星用石墨烯技术让锂电池容量增长近一倍，南开大学研发的以石墨烯
理，实现保暖治病 该所科学家成功研制出的高性能超级电容器电极材料该材料具有极佳 的电化学储能特性，可用作电动车的“超强电池”：充电只需 7 秒钟，即
可续航 35 公里。 开发出的石墨烯复合材料，有望在服装、军工、轻工、医疗、精细化工
等多领域得到广泛应用 研究人员通过使用与现行的先进硅器件制造技术相兼容的加工技术制
已被实验证明可在多个领域获得应用。有着“新材料之王”、“黑金”美称的石墨烯应 用研究在储能与光伏、复合材料、电子信息、传感器等领域均有突破。其商业价值包括可作 为医用材料、柔性屏幕、导电油墨、传感器、电极材料、散热产品、防火涂料、防腐涂料， 可进行金属表面处理、水处理等，可应用于智能手机、LED 照明设备、半导体制造设备、电 池、电容器等现有产品。
早在 20 世纪 30 年代，科学家们就对类似石墨烯的结构进行过理论研究。基于当时科技 水平的限制，并没有能够制备出单层石墨烯，科学家预言这样的二维材料在常温之下难以稳 定存在。至今天，预言已被证明不正确，不仅如此，因为具有极其优良的特性，石墨烯还不 负众望，惊喜连连，在多个领域获得成功应用。
表 1 石墨烯发展历程
其他性能
几乎完全透明，只吸收 2.3%的光，又非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法 穿透，和碳纳米管的比较。碳纳米管与石墨烯同为碳的同素异形体，作为构成碳不同维 度体系的一员，一维碳纳米管的发展历程与二维石墨烯极为相似。自 1991 年日本电子显微 镜专家饭岛意外发现由管状的同轴纳米管组成的碳分子以来，历经 20 多年，碳纳米管始终 处于实验室当中，高难度小规模的制备限制了它的发展，特性优良却少有人问津，商业化道 路受到严重阻碍。对比石墨烯，从第一次制备之后仅仅六年的时间，就催生出了一个诺贝尔 物理学奖。而今经过十年发展，大批企业和资金纷纷进入石墨烯行业，完全产业化蓄势待发， 大规模商业应用指日可待。
外，这种涂层还能为飞机提供电磁屏蔽层，帮助保护飞机免受雷击
资料来源：中国中投证券研究总部
未来发展空间广阔，三大应用价值突出。三大应用分别为替代硅制造高性能器件和集 成电路，替代 ITO 制造透明导电薄膜，应用于锂离子电池增强性能。涵盖远中近期三大产业 化方向，未来发展空间巨大。
用硅制造的半导体与晶体管，成功地引领了整个 20 世纪的电子科技前沿；太阳能光伏 电池的应用，则成功的解决了普通大众家庭日益旺盛的能源需求；锂离子电池的出现和应用， 将对日益枯竭的石油资源依赖的汽车逐步引入电动时代。
图 3 石墨烯应用领域
复合材料 领域
储能领域
电子信息 领域
其他领域
石墨烯导 电材料
锂离子电 池
触控屏
智能穿戴
石墨烯气 体阻隔膜
超级电容 器
高性能芯 片
功能涂料
石墨烯吸 波材料
光伏太阳 能电池
散热材料
环保领域
石墨烯磁 性材料
燃料电池
生物传感 器
资料来源：中国中投证券研究总部
诸多石墨烯应用型产品相继面世。参与石墨烯相关研究的群体众多，涵盖了高校、研 究机构和企业，新产品相关新闻经常见诸报端。
石墨烯——应用前景广阔，产业格局初步形成
日前，经中国工程院院士薛群基、中国科学院院士钱逸泰等 13 位材料专家组的专业评 审，宁波墨西“年产 500 吨石墨烯生产线技术改造及扩建工程项目”顺利通过验收。现场， 宁波墨西宣布石墨烯产业化应用成本瓶颈获得打破，石墨烯降到了最低每公斤 700 元；同时， 上海隆振股份与宁波墨西签订了 3960 万石墨烯产品购销合同，石墨烯产业首个超千万元单 笔购销合同产生。 有着“新一代材料之王”、“硅时代的颠覆者”等光环的石墨烯迈出了产 业化下游应用的重要一步。
石墨烯发展历程。2010 年，两位英国物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫 被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他们二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验， 由此，石墨烯在业界一举成名。2004 年，两位科学家通过简单的方法制备出了具有划时代 意义的新材料石墨烯，石墨烯世界大门从此被打开。随后在世界范围兴起一股石墨烯研究热 潮。
图 5 石墨烯的三大应用
石墨烯
取代电子元器件中的硅料尺寸小于 10 纳米时，用它制 造出的晶体管稳定性变差，石墨烯可 以被刻成 1 个分子大小的晶体管； 硅基芯片的主频越高，性能越好，但 是发热量也就越高，石墨烯芯片主频 有望达到硅芯片的 100-100 倍
表 4 石墨烯功能应用
产品
研究主体
石墨烯远红外 上海烯望信息
智能艾灸理疗
服
氮掺杂有序介 中科院上海硅
孔石墨烯
酸盐所
石墨烯内暖牌 功能纤维
石墨烯晶体管
济南圣泉集团 股份有限公司
IBM
应用 研发的基于石墨烯材料的智能穿戴产品利用石墨烯发热膜的远红外波 段与人体自身的远红外波段高匹配度的特点，结合传统医学的艾灸原
南开大学
做正极、锂做负极的二氧化碳电池续航能力是当前一般锂电池的 5 至
10 倍，石墨烯在锂电池方面的技术应用可以延长手机电池续航时间
石墨烯磁传感 德国的博世和 开发出的石墨烯磁传感器比硅灵敏百倍，该成果引导了美国磁化石墨烯
器
马克斯-普朗克 的进步，美国海军研究所已经开发出容量比现有高百万倍的硬件驱动
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石墨烯为碳体系不同维度之间建立了桥梁。直观上来讲，石墨可以看成是多层石墨烯 片堆垛而成，碳纳米管可以看作是卷曲圆筒状的石墨烯，富勒烯可以看作通过多个六元环和 五元环按照适当顺序排列得到的。实际中，通过二维的石墨烯可以形成球状的富勒烯，一维 的碳纳米管和多层的三维石墨，这个过程也可以逆转过来。这种转化能力，丰富了碳材料的 制备方式，拓展了碳体系和石墨烯的功能和用途。
石墨烯——应用前景广阔，产业格局初步形成
一、石墨烯横空出世，新材料重新布局 1 石墨烯——碳家族新材料 2 应用前景广阔，市场空间巨大
二、产业发展、烯望无限 1 我国石墨烯产业发展现状：资源禀赋价值凸显 2 石墨烯产业链结构：格局初成 3 石墨烯产业化水平：中低端，小规模 4 未来发展，关注石墨烯制备和下游高端应用 5 重点公司推荐
石墨烯可以在这三个方面带来全新的革命。它可替代当前性能虽好，但储量有限的半导 体材料硅，制造性能更高的电子元器件；可代替缺点明显，成本过高的光伏电池材料氧化铟 锡，制造更加节能环保高效的透明导电薄膜；可应用于锂离子电池，增强电池导电性，增加 储电量，减少充电时间，在未来，还有望成为新石墨烯电池的电极活性材料。
图 2 碳纳米管和石墨烯的发展示意图
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碳纳米管和石墨烯都是碳的同素异形体，具有相似的发展过程和物理特性、但却因为在 某些方面存在差异，导致两种材料截然不同的命运。
表 3 石墨烯和碳纳米管的比较
相同点
不同点
两种材料在被发现之前都 经历了由厚到薄的发展过 程。当一种材料由厚变薄的 时候，尤其是到达纳米级， 只有一层的时候，量变引起 质变的哲学思维凸显出实 际价值，材料的特性发生很 大的改变。这是单壁碳纳米 管和石墨烯比碳纤维和石 墨特性更加优良的原因。
人物
时间
成果
朗道和佩尔斯
1934 年
通过研究指出准二维晶体材料由于其自身的热力学不稳定，在常温 下会迅速分解
菲利普·华莱士 林纳斯· 鲍林 大卫·莫明和赫伯 特·瓦格纳
1947 年 1956 年 1966 年
研究了石墨烯的电子结构 推导出相应的波函数方程 提出 Mermin-wagner 理论，指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有 序
表 2 石墨烯特性
参数
性能
厚度 理论比表面积 硬度
只有一个原子层，约 0.34 纳米，为最薄新型纳米材料 2630 m2/g，可以媲美活性炭
超过钻石，为硬度最大新型纳米材料
断裂强度 导电性
125GPa，比最好的钢材高 200 倍 电阻率比铜和银更低，为世上电阻率最小的材料
导热性 弹性
导热系数 5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石 拉伸幅度达自身尺寸的 20%
铟储量低，价格高，有毒性，易 破碎，难回收，石墨烯作为一种 具有非常高的导电性，又几乎完 全透明的材料，十分适合作为透 明导体材料用于制作显示器件
传统锂电池能量密度和功 率密度难以兼得，石墨烯 至少可以从三个方面加强 锂电池的性能
固体研究所
器。
石墨烯 3D 打 美国西北大学 开发出并改进了高石墨烯含量的可 3D 打印油墨，该技术可以用于和细
印油墨
胞相关的生物医学实验和其它医疗应用
石墨烯纳米带 美国德克萨斯 创建出一种全新的石墨烯纳米带环氧涂层，将图层涂在机翼，在被施加
环氧涂层
州莱斯大学 电压后，能通过产生的电热实现飞机在高空飞行时机翼覆冰的融化。此
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2 应用前景广阔，市场空间巨大
铝从第一次制备出来到投产，经过了 60 年，发展到今天已接近 200 年，全球需求量， 仍在上涨。另一种今天被广泛运用的材料硅，早在 200 年前便制备出来，直到上世纪五十年
代才开始在半导体行业大放异彩，广泛使用。从第一次制备出单层石墨烯至今，只经过了十 一年的时间，与历史上任何一种全民型的材料相比，发展时间都非常短暂。然而，这并没有 影响人们对于这种新材料探索和开发的热情。当前科技发达，信息交流充分，设备仪器齐全， 大大缩短了新材料研发周期，企业的关注、政府的支持和资金流的不断涌入加速了石墨烯的 发展与应用。