瞻觀前沿

美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家在5層石墨烯中觀察到了一種難以捉摸的分數(shù)電荷效應(yīng)。這是結(jié)晶石墨烯中分數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)(反常指的是不存在磁場)的第一個證據(jù)。這將使一種新形式量子計算成為可能，這種類型的計算對微擾的抵抗力更強。最新一期《自然》雜志報道了這一研究結(jié)果。

到目前為止，物理學(xué)家已經(jīng)觀察到數(shù)次分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，大多是在非常高的、精心維護的磁場下觀察到的。此次，科學(xué)家終于在一種不需要如此強大磁場的石墨烯材料中看到了這種效果。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)5層石墨烯像臺階一樣堆放時，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)本身就為電子提供了合適的條件，使其作為總電荷的一部分通過，而不需要任何外部磁場。

研究人員首先從一塊石墨中剝離石墨烯層，然后使用光學(xué)工具識別階梯狀結(jié)構(gòu)中的5層薄片，從而制造出兩個混合石墨烯結(jié)構(gòu)的樣品。接著，他們將石墨烯薄片壓印在六方氮化硼(hBN)薄片上，并將第二片hBN薄片放在石墨烯結(jié)構(gòu)上。最后，他們將電極連接到結(jié)構(gòu)上，并將其放入冰箱，溫度設(shè)置為接近絕對零度。

當(dāng)研究人員在材料上施加電流并測量輸出電壓時，他們開始看到分數(shù)電荷的特征，其中電壓等于電流乘以分數(shù)和一些基本物理常數(shù)。通過進一步分析，該團隊證實了石墨烯結(jié)構(gòu)確實表現(xiàn)出分數(shù)量子反?；魻栃?yīng)。這是第一次在石墨烯中看到這種效應(yīng)。

圖片來源：攝圖網(wǎng)

技術(shù)價值觀察

石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的上游為石墨礦資源及生產(chǎn)設(shè)備;中游為石墨烯薄膜和石墨烯粉體制造;下游主要的應(yīng)用以新能源、涂料、大健康、節(jié)能環(huán)保、化工新材料、電子信息等六大產(chǎn)業(yè)。

物理學(xué)家從石墨中剝離石墨烯層，形成5層石墨烯薄片，在施加電流并測量輸出電壓時觀察到分數(shù)量子反?；魻栃?yīng)。因此，從石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈上看，該技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游環(huán)節(jié)。

 

宏觀市場觀察

——全球石墨烯技術(shù)周期：處于成長期

2010-2019年，全球石墨烯行業(yè)專利申請人數(shù)量及專利申請量均呈現(xiàn)增長態(tài)勢。雖然2020年全球石墨烯行業(yè)專利申請量有所下降，但是這一指標(biāo)數(shù)量仍較多。整體來看，全球石墨烯技術(shù)處于成長期。

注：當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)域生命周期所處階段通過專利申請量與專利申請人數(shù)量隨時間的推移而變化來分析。

——全球石墨烯行業(yè)專利申請量及專利授權(quán)量：2020年專利數(shù)量及授權(quán)量均有所下降

2010-2019年全球石墨烯行業(yè)專利申請數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢，2020年全球石墨烯行業(yè)專利申請數(shù)量有所下降，為17758項。

在專利授權(quán)方面，2010-2018年全球石墨烯行業(yè)專利授權(quán)數(shù)量逐年增長，2019年開始出現(xiàn)下降趨勢，2020年全球石墨烯行業(yè)專利授權(quán)數(shù)量為6225項，授權(quán)比重僅為35%。

2021年1-8月，全球石墨烯行業(yè)專利申請數(shù)量和專利授權(quán)數(shù)量分別為3292項和165項，授權(quán)比重為5%。截止2021年8月24日，全球石墨烯行業(yè)專利申請數(shù)量為95076項。

——石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性

石墨烯是一種以sp雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認為是一種未來革命性的材料。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法(CVD)。隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會是移動設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。

——石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

石墨烯的研究與應(yīng)用開發(fā)持續(xù)升溫，石墨和石墨烯有關(guān)的材料廣泛應(yīng)用在電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。鑒于石墨烯材料優(yōu)異的性能及其潛在的應(yīng)用價值，在化學(xué)、材料、物理、生物、環(huán)境、能源等眾多學(xué)科領(lǐng)域已取得了一系列重要進展。

——中國石墨烯規(guī)模有望達到千億

2015年到2018年，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)處于高速發(fā)展期，從2019年開始石墨烯行業(yè)進入快速平穩(wěn)發(fā)展期，增速有所降低，根據(jù)賽迪智庫的數(shù)據(jù)，2020年國內(nèi)石墨烯相關(guān)領(lǐng)域市場規(guī)模達140億元。根據(jù)工信部發(fā)布的《中國制造2025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》，石墨烯是主導(dǎo)未來高科技競爭的超級材料，廣泛應(yīng)用于電子信息、新能源、航空航天以及柔性電子等領(lǐng)域，可極大推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和升級換代，市場前景巨大，到2025年，整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)計突破千億，年均復(fù)合增長率接近50%。

——未來石墨烯將在技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域不斷突破

隨著石墨烯制備水平的發(fā)展和石墨烯應(yīng)用技術(shù)水平的發(fā)展，石墨烯材料能夠應(yīng)用在更多的下游產(chǎn)品和領(lǐng)域中。最新石墨烯下游產(chǎn)品，包括石墨烯理療保暖產(chǎn)品，石墨烯內(nèi)暖纖維制成的服裝，第二代石墨烯手機，石墨烯防彈衣、石墨烯防靜電輪胎、石墨烯動力電池等等，顯示出我國在石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域取得了很好的成績。石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展持續(xù)升溫，未來將會應(yīng)用于鋰離子電池、鋰硫電池、薄膜分離、超級電容器等制造中。

中國石墨烯技術(shù)賽道熱力圖

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，與石墨烯關(guān)鍵技術(shù)強關(guān)聯(lián)的城市集群主要集中在華南和華東地區(qū)，并且以廣深為重點發(fā)展區(qū)域，未來布局石墨烯技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展路徑，極大可能性在于華南華東地區(qū)優(yōu)先導(dǎo)入，其中可重點關(guān)注廣東省廣州市天河區(qū)、廣東省深圳市福田區(qū)、福建省廈門市海滄區(qū)所處石墨烯研發(fā)、設(shè)計的相關(guān)企業(yè)，以及該地方對于石墨烯的產(chǎn)業(yè)發(fā)展投資環(huán)境、供給市場的潛力空間。

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