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    國際首次!中國科研團隊實現“石墨烯”外差混頻探測

    時間:2017-07-26 14:50:15


    中國電科13所專用集成電路國家級重點實驗室與中科院蘇州納米所、納米器件與應用重點實驗室攜手,于前不久成功將石墨烯太赫茲探測器的工作頻率提高至650 GHz,并在國際上首次實現了石墨烯外差混頻探測,為太赫茲立體成像打開了新世界的大門。

    記者今天從中國電科獲悉,中國電科13所專用集成電路國家級重點實驗室與中科院蘇州納米所、納米器件與應用重點實驗室攜手,于前不久成功將石墨烯太赫茲探測器的工作頻率提高至650 GHz,并在國際上首次實現了石墨烯外差混頻探測,為太赫茲立體成像打開了新世界的大門。

    石墨烯和太赫茲,一個是面向未來的新材料,一個是面向未來的新技術,后者作為電磁波家族的神秘存在,更是被譽為“改變未來世界的十大技術”之一。這種頻率介于0.1THz到10THz之間的電磁波,具有較低的光子能量,較高的穿透能力,在安檢成像、雷達、通信、天文、大氣觀測和生物醫學等眾多技術領域,有著廣闊的應用前景。

    然而,太赫茲的探測難度很大,一直制約著行業發展。按照中國電科13所專家的說法,現有的探測技術存在工作環境需要深低溫、響應速度慢、探測率低等問題,因此,發展室溫工作的超高靈敏度太赫茲探測器對推進太赫茲技術應用具有重要意義,必須通過運用新材料、研發新技術予以突破。

    中國電科13所重點實驗室和中科院蘇州納米所、納米器件與應用重點實驗室攜手合作,就是要試著解決這些難題。中國電科13所技術專家蔚翠博士說,兩家單位通過運用當前最火的“黑金”石墨烯材料,成功研制了可在室溫環境下工作的低阻抗高靈敏度石墨烯太赫茲探測器,其工作頻率和靈敏度均達到了同類探測器中的最高水平。

    在這次合作中,中國電科13所重點實驗室團隊主要任務是提高石墨烯材料的遷移率,縮小器件的柵長,提升探測器的探測頻率和靈敏度。蔚翠說:“我們用‘熱解法’來制作石墨烯材料,這種方法是將碳化硅晶體加熱到1600攝氏度,蒸發掉表面的硅原子,通過重新排布剩下的碳原子來獲取?!?這種方法獲得的晶圓級石墨烯不但均勻性更好,層數、電學性能都更有保障,未來產業化能力更強。

    工藝聽起來十分簡單,但任何在納米數量級上的產品制作都是分外艱難的。蔚翠說:制作柵長為納米級的探測器,對技術團隊的器件結構設計和關鍵工藝都提出了非常高的要求,稍有不慎就會前功盡棄。

    中國電科太赫茲專業領域首席專家馮志紅博士帶領團隊,突破了石墨烯場效應太赫茲探測器制備的系列關鍵技術,自主研發出了一整套低損傷,自對準探測器件工藝流程,并成功制備了100納米柵長的石墨烯太赫茲探測器,大幅提高了探測器的工作頻率和靈敏度。

    這款探測器聽起來有些“高冷”,但它的應用場景卻分外親切,人們極為熟知的太赫茲安檢領域將來就可應用這款產品。中國電科13所技術專家梁士雄博士打了一個比方:如果說以往探測設備獲取的太赫茲圖像是在“拍照”的話,這種新的探測技術可以實現實時“攝像”。

    還記得全球首個利用石墨烯開發的超級電容移動電源Zap&Go嗎?那可是真正的充電5分鐘,通話1小時啊。如今,它的開發公司Zapgo要進軍中國市場了!這家創立于英國牛津的高科技公司究竟發力方向何在?一起來了解!

    “超級電池”明年量產上市

    近日,來自英國的Zapgo有限公司正式與株洲立方新能源科技有限責任公司(以下簡稱立方新能源)簽訂了合作協議,確定將共同開發“Carbon-Ion”石墨烯超級電容器。相比普通電池幾個小時的充電時間,Carbon-Ion超級電容器3-5分鐘即可完成充電。這預示著以石墨烯為代表的下一代電池終于開始了商業化量產。





    作為一家國際知名的科技型公司,Zapgo為何會選擇一家僅創立4年的株州企業呢?

    Zapgo方面給出的理由相當簡單直接:Carbon-Ion超級電容器使用的生產線與 鋰離子電池相同,而立方新能源生產這一全新的產品,無須另外設計和安裝生產線。

    事實上,這個選擇相當有道理。因為在 特斯拉 旗下動力電池的新一輪供應商名冊中,排名第一的就是這家來自株州的企業。其憑借一款250瓦時/千克的動力電池打動了特斯拉,也證明了自己正處在動力電池高端研發公司之列。

    或將改變新能源汽車格局

    目前大多數 電動車 用的都是 鋰電池 ,然而鋰電池卻有諸多局限。一來是價格較高,二來是電池中儲蓄的電量遠遠不能達到使用者所需,需要經常充電。再者充電的過程緩慢,需要耗費大量的時間。





    而石墨烯獨特的二維結構和出色的固有的物理特性,使它擁有異常高的導電性和大表面積,在能量儲存和釋放過程中具有較強的優越性。因此石墨烯超級電容器能比 鋰電池 儲存更多的電量。

    在攜帶同等電量的情況下,石墨烯超級電容器的體積更小,重量也更輕。這無疑對緩解目前新能源汽車普遍存在的“續航焦慮”有很大幫助。

    石墨烯超級電容器的使用壽命是普通 鋰電 池的兩倍,但制造成本卻降低了77%。由于使用可靠,價格便宜,很有可能成為改變新能源汽車格局的關鍵。

    此外,一旦石墨烯基超級電容器的批量投產,不僅可以帶動上游石墨及石墨烯產業的發展,還也可以促進風光發電、智能電網、軌道交通、重工機械及新能源汽車等下游應用終端發展。

    產學研結合解決量產難題

    目前,中國已成為石墨烯研究和應用開發最為活躍的國家之一。各級政府也對石墨烯表現出極大的興趣,初步形成了政府、科研機構、研發和應用企業協同創新的官產學研合作對接機制。

    而與此同時,一大批石墨烯超級電容相關企業也取得了不俗的成績:中車新能源科技研發的石墨烯超級電容充電30秒便可讓超級電容公交車行駛5公里;南車新能源科技的10秒閃充電車已在全球發布;中車株機自主研制的兩種新一代高比能石墨烯超級電容也已問世。

    不過,盡管目前國內整體發展態勢不錯,但石墨烯行業卻一直存在一些待解問題。比如科研人員雖有研究成果,卻不能提供成批性能穩定的產品,無法將之轉化為有效的產品應用?;蛘哐邪l完成后,才發現其性價比遠低于市面上的同類產品。而種種情況已成為制約我國石墨烯從研發到產業化的重要瓶頸。

    事實上,如何實現石墨烯的有效應用,一直也是困擾全球各國的難題。此前,英國曼徹斯特大學的國家石墨烯研究院(NGI),就曾因為不能把有關石墨烯研究成果市場化,而遭到英國國會質詢。

    因此,未來而如何串聯科研院所、產業應用專家、企業與消費市場的橋梁與紐帶,助力石墨烯產品應用打通“最后一公里”實現量產將是解決問題的關鍵。


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