克尔司半导体设备（上海）有限公司怎么样？

克尔司半导体设备（上海）有限公司是2009-03-10在上海市浦东新区注册成立的有限责任公司(外国法人独资)，注册地址位于上海市浦东新区南汇工业园区汇成路530号12号厂房。

克尔司半导体设备（上海）有限公司的统一社会信用代码/注册号是91310115684070869U，企业法人IKNYUNKIM，目前企业处于开业状态。

克尔司半导体设备（上海）有限公司的经营范围是：生产组装半导体器件和集成电路整机装配专用设备、太阳能加工设备、液晶显示器加工设备，销售公司自产产品，提供相关技术服务；上述产品的同类商品的进出口、批发、佣金代理（拍卖除外）及其他相关配套服务。【依法须经批准的项目，经相关部门批准后方可开展经营活动】。本省范围内，当前企业的注册资本属于良好。

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杭州网讯 12月18日-20日，2020网易未来大会在杭州盛大举行。大会以“洞觉未见”为主题，汇聚了全球最强大脑，期盼以远见超越未见，去寻找打开未来的钥匙。

大会上，瑞士洛桑联邦理工学院博士刘骏秋在《光芯片技术和人工智能》主题演讲时表示，电芯片本质上在芯片的尺度上利用电子来生成处理和传输信息；光芯片就是把电子换成光子，在芯片的尺度上用光子生成和处理、传输信息。与电芯片相比，光芯片在诸多领域，通讯、激光雷达、传感、图像分析上面有独一无二的优势。

刘骏秋进一步解释，光芯片速率可以达到100G，比电芯片快很多，这样可以在光的通道上面做更多信息的编码，它可以承载更多的信息，同时功耗比电芯片更小。因为光在传播中不会产生任何热效应，这和电子不一样，还有光和光之间不会有相互作用，不会受背景的电磁干扰。

对于光芯片的应用，刘骏秋说，不仅局限于人工智能。还用它做微波滤波器、毫米波生成、天体光谱仪校准、微波生成。甚至可以做中红外双输光谱，用来测量气体当中的成分。可以做光学相关断层扫描，可以看生物组织的结构，最后可以用在数据中心上做开关，进行数据上面的调控。

以下为刘骏秋演讲实录：

大家好，我是刘骏秋。我在瑞士洛桑联邦理工从事光芯片研发的工作，未来有可能近期加入南方 科技 大学，在国内做一些氮化硅光芯片方面的研究。首先感谢网易未来大会邀请我来，给大家介绍一下我的研究工作。

我们这个名字叫“人工智能”，我研究的是光芯片和频率梳技术，所以我今天报告的题目是“光芯片、频率梳和人工智能”。我们知道人工智能在算法、商业上面有很多优势，很多嘉宾提到了。我从芯片角度，说一下人工智能算法的加速。

首先简单介绍一下什么是光芯片。大家可能对电芯片非常了解，电芯片本质上在芯片的尺度上利用电子来生成处理和传输信息；光芯片就是把电子换成光子，在芯片的尺度上用光子生成和处理、传输信息。

与电芯片相比，光芯片在诸多领域，通讯、激光雷达、传感、图像分析上面有独一无二的优势。

左下角看到一个表格，比较了电芯片和光芯片表现下的区别。光芯片速率可以达到100G，比电芯片快很多，这样你可以在光的通道上面做更多信息的编码，它可以承载更多的信息，同时功耗比电芯片更小。因为光在传播中不会产生任何热效应，这和电子部一样，还有光和光之间不会有相互作用，不会受背景的电磁干扰。

这是一个光芯片的架构，可以看出光芯片系统比电芯片系统复杂很多，里面有光源、处理器、探测器，经常也会需要用到各种材料之间集成的协同作用。可以看出光芯片非常复杂，作为一个研究组，很少有人能够对整个系统进行架构。

我们最早是研究芯片集成的宽带光源作为起点的，这里我们需要得到一个相关多通道的多宽带光源。

其实我们本质上得到的光源是频率梳，频率梳就是一个宽带光源，它由一根根连续光梳尺组成，每一根梳尺之间的频率差都是恒定的。所以每根梳尺它都可以严格用数学表达式来表示，所以每根梳尺我们知道它的频率，同时可以严格控制下，因此频率梳是测量时间和频率的尺子。在光谱学、精密测量和时间标准上面有广泛应用。

正因如此，2005年诺贝尔物理学奖的一半就被授予了两位科学家。

第一台频率梳它在上世纪90年代被研制成功的，经过20年的发展，现在频率梳基本可以实现商业化。用户可以购买这样一个成熟的商业平台，每个平台的售价大概在30万欧元，还是非常昂贵的。

现如今，频率梳的技术发展向着小型化、集成化方向发展，把成本降低，更多用户可以享受这个技术，并把这个技术用在很多领域里面。

要实现这样的技术，我们需要用到微箱集成的频率梳技术（音），这里我们需要用到光芯片集成的技术。

我们产生频率梳的机制，将光耦合进光学微腔里面，光学微腔具有体积小、品质因子高等特点，光在微腔里面会极大的增强，通过光与物质的相互作用，我们可以通过克尔非线性产生四波混频，就是你输入一束光，就会产生非常多的新的光频率作为出射光。由于动量和能量守恒，每一束光的频率都严格满足频率梳的表达式，所以这个频率梳就被称为“光芯片集成的频率梳光源”。

当构建光芯片的时候，必须要考虑到，第一点用什么材料构建它的当下最主流的三种材料，硅、氮化硅和磷化铟。硅一般用作集成的高速的调制器，也可以用作光点探测器，但是硅没有直接的代系（音），所以不能用硅做激光器，这时间需要用到磷化铟这个材料，但是硅和磷化铟它们两都有一个问题，就是材料的损耗非常大，这时候比较一下你会发现氮化硅是一个损耗非常低的材料。

光损耗对于一切光学研究来讲是最核心的指标参量，它对构建非线性的元件，比如说激光器、探测器，复杂的线行网络来非常重要的。复杂的线行网络，我说的是激光雷达、光神经网络或者是量子计算。

目前集成光学的发展趋势有很多新的材料加入，氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、碳化硅、高折射率玻璃、氧化钽、铝镓砷、磷化镓、氮化镓，这里面很多材料是属于第三代半导体的，集成光学的发展现在是多元化，复杂化的趋势。

我简单介绍一下我们做氮化硅超低损耗微纳加工的一些技术。

在这里我们用到一个技术叫做氮化硅光子大马士革工艺。大马士革工艺是非常古老的工艺，最早可以追溯到阿拉伯人对他们的武器和装饰上面做颜色的镶嵌和绘图。这个工艺本质上就是先做图形，然后你把颜色料材料镶嵌到材料当中做一个抛光，这样有了绘图。

这个思想被用在早期的电子电路制造上面。在我们的研究当中，我们把氮化硅、大马士革工艺用到氮化硅集成光路制造上面，利用这项工艺，目前可以得到所有集成光芯片当中最低的光损耗。

在工艺的过程当中，我们用到非常成熟的半导体微纳加工技术等。所有这些工艺流程都是在我们大学完成的。

那么对于所有的，我之前提到过光的损耗对于光器件来讲是非常重要的，目前最低的光损耗是在光纤当中实现，它的损耗大概是0.2dB/km，非常低，这里我们要感谢高坤，因为没有他的贡献，我们无法享受到全球光通信的技术。那么在集成光学当中，目前波导商业的硅波导损耗是dB/cm，我们的氮化硅可以做到0.01个dB/cm，就是比这些材料要好2倍以上。

我们回顾一下最近氮化硅发展的历程，氮化硅集成波导目前也发展超过十年，最早是哥伦比亚大学的米哈森教授研发成功的。这里我标识的品质因素，品质因素越高，光的损耗越低。可以看到氮化硅的品质因素是稳步的增长，也预示着这个技术现在是逐渐的商业化。我们也是通过对工艺不断的优化，然后测量我们的芯片样本，做了一个统计的分析，可以发现我们的损耗真的是可以达到1dB/m，这样非常低的损耗。利用这项氮化硅技术，我们也做了很多环形的微腔，根据需求可以把不同大小环形微腔，在不同应用上扮演着不同的角色。比方说10g左右的光学微腔，可以用来生成微波。10g-50g可以用来做天体光谱仪的校准。50g-100g可以用来做光通镜，100g以上可以做毫米波的生成。同时我们也做了非常复杂，非常密集的光的集成网络，我们可以看到在5毫米 5毫米的光芯片上，放了将近1米长的波导，这样的话可以利用这个长波导来实现一些特殊的量子光源纠缠态的制备、量子计算或者光研制线等一系列相关的应用。

利用氮化硅环形微腔，我们可以做重复频率比较高的微梳。我们送进去一束光，在出射端得到很多很多束光的通道。在这里可以看到2个箭头之间，下面的2个箭头之间可以达到超过300个通道，也就是说这300个通道都用来作为通信上编码，所以整个光源可以用来作为非常高效的通信种子源。

我们有了这样的光频梳，同时可以产生这么多通道，接下来我们就需要对每个通道进行光路传输。在这里我们需要用到片上的集成调制器，我们使用的是压电材料氮化铝的声光调制器。在光芯片上有很多这样的调制器，尤其是对氮化硅这样没有二级非线性材料来讲，一般需要用到电光调制器，会用到石墨烯或者二维材料做调制，还有热调制。这些调制器或多或少都有技术上的缺陷，比如它的工艺流程过于复杂、技术不够成熟、或者损耗过大，或者调制速度过慢。近年来一个趋势，使用压电材料来做调制器，压电材料是在微机电系统当中有非常普通的应用。在这里，压电材料调制基本上基于两种：一种是改变几何构型，在压电材料上施加电压，会在衬底之间产生张力，张力就会改变仪器的几何构型，从而改变光传播的时间。二是通过压光效应，压光效应就是说施加了电压，在衬底上会直接产生这样的压力，压力会直接改变材料的折射率。通过压光调制器可以达到很高的调制速率，同时它不限制于任何的衬底，所以可以把这个机制放在所有的集成光芯片使用上。

我简单说一下我们使用的压电材料氮化铝，氮化铝是一种广泛应用于微机电体系中的压电材料。你在氮化铝上下表面施加一个交流电的时候，由于氮化铝在电压的作用下会舒张或者收缩，它就可以在薄膜内部产生一个体声波，体声波本质上来讲就是生子在薄膜内部的驻波信号。它的声波频率是跟薄膜厚度，生子在薄膜当中升速是相关的。当你去扫频时会发现这样一个特征的传输曲线，这个传输曲线就是说有共振线和非共振线，一个决定就是能量直接从薄膜当中穿过，另外是电能转化成薄膜内声波能量。

当你把这样几个氮化铝集成波放在一起就会产生射频，信号宽带的滤波器，这个技术是我们身边的技术，你们每一个人拿出手机，你们手机当中都有4-8个这样的元件用来接受WIFI信号，这项技术每年有几百亿每年的市值，一些大公司每年都会产生数十亿这样的单元。我们的工艺上就是将氮化铝压电材料放在氮化硅集成光芯片上，用它来做集成的声光调制。这里可以看到样品的截面图，可以看到氮化铝完全覆盖了氮化硅的光路，同时我们的光的传播也离金属很远，这样的话我们的低损耗得以维持。

我们的实验机制是将一束光耦合成光学微腔里，通和施加外部氮化铝升光调制，同时去调制每一根由种子源产生的频率梳的每根梳齿，就实现了对每一根频率梳的每根梳齿，或者编码通道的调制。我们也测试了调制速率和调制的能量。

我这里展示了氮化硅集成光源和调制的能力，我们利用这两个简单的功能，接下来实现很多应用。由于今天我们说的是人工智能，我说两个关于人工智能方面的应用。第一个人工智能应用就是说激光雷达，我们在这里做的是相干激光雷达，FMCW。相干激光雷达不仅可以测量物体与你的距离，同时可以测量物体运动的速度。这里它的机制是利用三角波调制信号，把它发送到移动物体上，这时候你去探测从物体上反射的信号，然后将出射信号和反射信号做一个拍平，这样的话可以得到两个参量，FU和FD。你根据这两个参量，可以还原反射信号波形图，将反射信号与出射信号作对比会发现两个参量不一样，第一个参量对应时间的延迟，我们知道光速，根据时间的延迟可以计算物体与你的距离；第二个参量是频率的变化，频率的变化对应的是多普勒，由多普勒效应造成的。你知道当你的 汽车 开在高速公路上，为什么交警可以立刻探测到 汽车 运动的速度呢，其实这里就是用到多普勒雷达的功能。利用多普勒效应，我们可以知道物体移动的速度。

当我们用频率梳这样的技术时，由于频率梳具有多通道优势，每根通道进行调制，可以同时产生数十根或者数百根激光雷达，我们利用色散的元件可以将激光雷达分发到相对的广角，可以进行平行多通道，一个广角的激光雷达测距功能。我们其实同时去调制激光器和频率梳，可以做到调制过程中不改变光源的波形图，也利用这样一个技术做了一个测序实验，这个工作也是以封面的形式发表在近期的《自然》杂志上。

做的第二个场景应用，就是做一个光神经网络，这里还是用到氮化硅。在氮化硅这里用到两个功能，第一个氮化硅还是用来做频率梳，作为光源。第二个氮化硅，就像我之前提到的，在这里做了4 4复杂的光矩形网络。在这里我们这个工作是与牛津大学和德国的明思特大学合作，通过对每个光频梳信道进行编码，将它送到光神经网络当中。由光神经网络来处理输入信号，然后在光学层面上处理输入信号，然后转化成输出信号。我们利用光神经网络做了一个张量，做了一个卷积神经网络应用，在这里我们实际上去求解矩形的矩阵，然后做了浮雕过滤器的应用。所谓浮雕过滤器的应用，你把一个图像信号输入到系统当中，然后经过浮雕过滤器，它会强化高频信号、低频信号，通过浮雕过滤器可以强化边缘。在这里看一辆小 汽车 ，原来图片的车灯，可能看不到内部的结构。但经过浮雕处理器可以看到新的图像当中，把车灯的内部结构强化了，证明了氮化硅在集成光芯片，可以在光学层面上做光神经网络、做深度学习这方面的应用。

其实光芯片有更多的应用，不仅仅局限于人工智能这方面。我们还用它做微波滤波器、毫米波生成、天体光谱仪校准、微波生成。甚至我们可以做中红外双输光谱，用来测量气体当中的成分。我们可以做光学相关断层扫描，可以看生物组织的结构，最后可以用在数据中心上做开关，进行数据上面的调控。

好，谢谢大家！

2020网易未来大会由杭州市人民政府和网易公司联合主办，杭州市商务局、杭州市经济和信息化局、杭州市滨江区人民政府、北京网易传媒有限公司以及网易（杭州）网络有限公司承办，中国移动总冠名。大会将进行三天的头脑风暴、涵盖了预见未来、新基建、人工智能、区块链、潮商业、UP生活以及和文化等论坛。

石墨烯 （Graphene） 是一种由碳原子以 sp 2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的套用前景，被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。

2018年3月31日，中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动。

基本介绍中文名 ：石墨烯 英文名 ：Graphene 套用领域 ：物理、材料、电子信息、计算机等 载流子迁移率 ：15000cm2/（V·s）（室温） 导热系数 ：5300W/mK（单层） 理论杨氏模量 ：1.0TPa 研究历史,理化性质,物理性质,化学性质,制备方法,主要分类,单层石墨烯,双层石墨烯,少层石墨烯,多层石墨烯,主要套用,发展前景, 研究历史 实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。 2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆 （Andre Geim） 和康斯坦丁·诺沃消洛夫 （Konstantin Novoselov） 发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样 *** 作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。 这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷。2009年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯能够在实验中被制备出来。 2018年3月31日，中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动，该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池（下称石墨烯OPV），破解了套用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题。 2018年6月27日，中国石墨烯产业技术创新战略联盟发布新制订的团体标准《含有石墨烯材料的产品命名指南》。这项标准规定了石墨烯材料相关新产品的命名方法。 理化性质 物理性质 内部结构 石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以 sp 2 杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成 sp 2 键，即每个碳原子都贡献一个位于 pz 轨道上的未成键电子，近邻原子的 pz 轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10 -10 米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子连结成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的 pz 轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。 石墨烯结构图 单层石墨烯结构图 力学特性 石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa。由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。 电子效应 石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm 2 /（V·s），这一数值超过了矽材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm 2 /（V·s）。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50~500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm 2 /（V·s）左右。 石墨烯构成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图 另外，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，而科学家在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量，他们的速度是和动能没有关系的常数。 石墨烯是一种零距离半导体，因为它的传导和价带在狄拉克点相遇。在狄拉克点的六个位置动量空间的边缘布里渊区分为两组等效的三份。相比之下，传统半导体的主要点通常为Γ，动量为零。 热性能 石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。此外，石墨烯的d道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的d道热导率的下限下移。 导热系数实验值 电阻系数和温度系数 光学特性 石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。这是单层石墨烯所具有的不寻常低能电子结构。室温下对双栅极双层石墨烯场效应电晶体施加电压，石墨烯的带隙可在0~0.25eV间调整。施加磁场，石墨烯纳米带的光学回响可调谐至太赫兹范围。 当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和。这些特性可以使得石墨烯可以用来做被动锁模雷射器。这种独特的吸收可能成为饱和时输入光强超过一个阈值，这称为饱和影响，石墨烯可饱和容易下可见强有力的激励近红外地区，由于环球光学吸收和零带隙。由于这种特殊性质，石墨烯具有广泛套用在超快光子学。石墨烯/氧化石墨烯层的光学回响可以调谐电。更密集的雷射照明下，石墨烯可能拥有一个非线性相移的光学非线性克尔效应。 溶解性： 在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水性和超亲油性。 熔点： 科学家在2015年的研究中表示约4125K，有其他研究表明熔点可能在5000K左右。 其他性质： 可以吸附和脱附各种原子和分子。 化学性质 石墨烯的化学性质与石墨类似，石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子。当这些原子或分子作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身却可以保持很好的导电性。但当吸附其他物质时，如H + 和OH - 时，会产生一些衍生物，使石墨烯的导电性变差，但并没有产生新的化合物。因此，可以利用石墨来推测石墨烯的性质。例如石墨烷的生成就是在二维石墨烯的基础上，每个碳原子多加上一个氢原子，从而使石墨烯中 sp 2 碳原子变成 sp 3 杂化。可以在实验室中通过化学改性的石墨制备的石墨烯的可溶性片段。 化合物 氧化石墨烯 （grapheneoxide，GO） ：一种通过氧化石墨得到的层状材料。体相石墨经发烟浓酸溶液处理后，石墨烯层被氧化成亲水的石墨烯氧化物，石墨层间距由氧化前的3.35Å增加到7~10Å，经加热或在水中超声剥离过程很容易形成分离的石墨烯氧化物片层结构。XPS、红外光谱（IR）、固体核磁共振谱（NMR）等表征结果显示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能团，包括羟基、环氧官能团、羰基、羧基等。羟基和环氧官能团主要位于石墨的基面上，而羰基和羧基则处在石墨烯的边缘处。 石墨烷 （graphane） ：可通过石墨烯与氢气反应得到，是一种饱和的碳氢化合物，具有分子式（CH） n ，其中所有的碳是 sp 3 杂化并形成六角网路结构，氢原子以交替形式从石墨烯平面的两端与碳成键，石墨烷表现出半导体性质，具有直接带隙。 氮掺杂石墨烯或氮化碳 （carbonnitride） ：在石墨烯晶格中引入氮原子后变成氮掺杂的石墨烯，生成的氮掺杂石墨烯表现出较纯石墨烯更多优异的性能，呈无序、透明、褶皱的薄纱状，部分薄片层叠在一起，形成多层结构，显示出较高的比电容和良好的循环寿命。 生物相容性： 羧基离子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能团，从而大幅度提高材料的细胞和生物反应活性。石墨烯呈薄纱状与碳纳米管的管状相比，更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的边缘与碳纳米管相比，更长，更易于被掺杂以及化学改性，更易于接受功能团。 氧化性： 可与活泼金属反应。 还原性： 可在空气中或是被氧化性酸氧化，通过该方法可以将石墨烯裁成小碎片。石墨烯氧化物是通过石墨氧化得到的层状材料，经加热或在水中超声剥离过程很容易形成分离的石墨烯氧化物片层结构。 加成反应： 利用石墨烯上的双键，可以通过加成反应，加入需要的基团。 稳定性： 石墨烯的结构非常稳定，碳碳键 （carbon-carbon bond） 仅为1.42。石墨烯内部的碳原子之间的连线很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。同时，石墨烯有芳香性，具有芳烃的性质。 制备方法 机械剥离法 机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法 *** 作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构。2004年，英国两位科学使用透明胶带对天然石墨进行层层剥离取得石墨烯的方法，也归为机械剥离法，这种方法一度被认为生产效率低，无法工业化量产。虽然这种方法可以制备微米大小的石墨烯，但是其可控性较低，难以实现大规模合成。 氧化还原法 氧化还原法是通过使用硫酸、硝酸等化学试剂及高锰酸钾、双氧水等氧化剂将天然石墨氧化，增大石墨层之间的间距，在石墨层与层之间插入氧化物，制得氧化石墨 （Graphite Oxide） 。然后将反应物进行水洗，并对洗净后的固体进行低温干燥，制得氧化石墨粉体。通过物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离，制得氧化石墨烯。最后通过化学法将氧化石墨烯还原，得到石墨烯 （RGO） 。这种方法 *** 作简单，产量高，但是产品质量较低。氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸，存在较大的危险性，又须使用大量的水进行清洗，带大较大的环境污染。 使用氧化还原法制备的石墨烯，含有较丰富的含氧官能团，易于改性。但由于在对氧化石墨烯进行还原时，较难控制还原后石墨烯的氧含量，同时氧化石墨烯在阳光照射、运输时车厢内高温等外界每件影响下会不断的还原，因此氧化还原法生产的石墨烯逐批产品的品质往往不一致，难以控制品质。 取向附生法 取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，最终镜片形状的单层的碳原子会长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的相互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。 碳化矽外延法 SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下，使矽原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。 赫默法 通过Hummer法制备氧化石墨；将氧化石墨放入水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为0.25g/L～1g/L的氧化石墨烯溶液，再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28%的氨水；将还原剂溶于水中，形成质量浓度为0.25g/L～2g/L的水溶液；将配制的氧化石墨烯溶液和还原剂水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于油浴条件下搅拌，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。 化学气相沉积法 化学气相沉积法即（CVD）是使用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法。这是目前生产石墨烯薄膜最有效的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现阶段成本较高，工艺条件还需进一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄，因此大面积的石墨烯薄膜无法单独使用，必须附着在巨观器件中才有使用价值，例如触控萤幕、加热器件等。 低压气相沉积法是部分学者使用的，其将单层石墨烯在Ir表面上生成，通过进一步研究可知，这种石墨烯结构可以跨越金属台阶，连续性的和微米尺度的单层碳结构逐渐在Ir表面上形成。毫米量级的单晶石墨烯是利用表面偏析的方法得到的。厘米量级的石墨烯和在多晶Ni薄膜上外延生长石墨烯是由部分学者发现的，在1000℃下加热300纳米厚的Ni 膜表面，同时在CH 4 气氛中进行暴露，经过一段时间的反应后，大面积的少数层石墨烯薄膜会在金属表面形成。 主要分类 单层石墨烯 单层石墨烯 （Graphene） ：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 双层石墨烯 双层石墨烯 （Bilayer or double-layer graphene） ：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯 少层石墨烯 （Few-layer） ：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 多层石墨烯 多层石墨烯又叫厚层石墨烯 （multi-layer graphene） ：指厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 主要套用 随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化套用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化套用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。 基础研究 石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述，这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向：一些原来需要在巨型粒子加速中进行的试验，可以在小型实验室内用石墨烯进行。 零能隙的半导体主要是单层石墨烯，这种电子结构会严重影响到气体分子在其表面上的作用。单层石墨烯较体相石墨表面反应活性增强的功能是由石墨烯的氢化反应和氧化反应结果显示出来的，说明石墨烯的电子结构可以调变其表面的活性。另外，石墨烯的电子结构可以通过气体分子吸附的诱导而发生相应的变化，其不但对载流子的浓度进行改变，同时可以掺杂不同的石墨烯。 感测器 石墨烯可以做成化学感测器，这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的，根据部分学者的研究可知，石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。石墨烯是电化学生物感测器的理想材料，石墨烯制成的感测器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。 红外光束激发电浆石墨烯感测器示意图 电晶体 石墨烯可以用来制作电晶体，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种电晶体在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下，目前以矽为材料的电晶体在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性；石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点，又使得由它制成的电晶体可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯电晶体的工作频率提高到了100GHz，超过同等尺度的矽电晶体。 柔性显示屏 消费电子展上可弯曲萤幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了由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。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示，这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后，他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触控萤幕。研究人员表示，从理论上来讲，人们可以卷起智慧型手机，然后像铅笔一样将其别在耳后。 新能源电池 新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中套用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的套用铺就了道路。 石墨烯基超级电容器结构与不同电压下的石墨烯理论能量密度 海水淡化 石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后，可形成约0.9纳米宽的通道，小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸，控制孔径大小，能高效过滤海水中的盐份。 储氢材料 储氢材料 石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点，使之成为储氢材料的最佳候选者。 航空航天 由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的套用优势也是极为突出的。2014年，美国NASA开发出套用于航天领域的石墨烯感测器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、太空飞行器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在套用上也将发挥更重要的作用。 感光元件 以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，可望透过特殊结构，让感光能力比现有CMOS或CCD提高上千倍，而且损耗的能源也仅需原本10%。可套用在监视器与卫星成像领域中，可以套用于照相机、智慧型手机等。 复合材料 基于石墨烯的复合材料是石墨烯套用领域中的重要研究方向， 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、感测材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能， 具有广阔的套用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上，而随着对石墨烯研究的深入， 石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的套用也越来越受到人们的重视。石墨烯制成的多功能聚合物复合材料、高强度多孔陶瓷材料，增强了复合材料的许多特殊性能。 复合材料 生物 石墨烯被用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化，同时也被用来制造碳化矽上外延石墨烯的生物感测器。同时石墨烯可以作为一个神经接口电极，而不会改变或破坏性能，如信号强度或疤痕组织的形成。由于具有柔韧性、生物相容性和导电性等特性，石墨烯电极在体内比钨或矽电极稳定得多。石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长十分有效，而且不会伤害到人体细胞。 发展前景 石墨烯的研究与套用开发持续升温，石墨和石墨烯有关的材料广泛套用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、感测器、电容器、电晶体等方面。鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的套用价值，在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。研究者们致力于在不同领域尝试不同方法以求制备高质量、大面积石墨烯材料。并通过对石墨烯制备工艺的不断最佳化和改进，降低石墨烯制备成本使其优异的材料性能得到更广泛的套用，并逐步走向产业化。 中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。正是看到了石墨烯的套用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心，尝试使用石墨烯商业化，进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的套用专利。如欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”，设立专项研发计画，未来10年内拨出10亿欧元经费。英国 *** 也投资建立国家石墨烯研究所（NGI），力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。 石墨烯有望在诸多套用领域中成为新一代器件，为了探寻石墨烯更广阔的套用领域，还需继续寻求更为优异的石墨烯制备工艺，使其得到更好的套用。石墨烯虽然从合成和证实存在到今天只有短短十几年的时间，但是已成为今年学者研究的热点。其优异的光学、电学、力学、热学性质促使研究人员不断对其深入研究，随着石墨烯的制备方法不断被开发，石墨烯必将在不久的将来被更广泛的套用到各领域中。 石墨烯产业化还处于初期阶段，一些套用还不足以体现出石墨烯的多种“理想”性能，而世界上很多科研人员正在探索“杀手锏级”的套用，未来在检测及认证方面需要面对太多挑战，有待在手段及方法上不断创新。

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