墨烯专题新材料技术革命的引领者

内容:石墨烯专题：新材料技术革命的引领者作者：招商证券张士宝孙恒业投资要点：石墨烯是二十一世纪以来新材料科学领域最为耀眼的一颗新星，未来有望在电子、新能源、高端制造、医疗等领域展开多种应用。目前，中国石墨烯技术处于初级产业化阶段，未来在技术、工艺和产业链对接方面还需要投入大量资源。预计石墨烯未来有望最先应用于太阳能透明电极、散热材料和触摸屏等电子领域。我们充分看好石墨烯材料在未来的广泛应用空间，建议关注相关主题性投资机会。（一）石墨烯具备多种优异性质，未来下游应用市场有望达到万亿级别。石墨烯具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质。它是目前最也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好，具备导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用，可以说是未来最有前景的先进材料之一，未来的市场空间有望超过万亿。（二）石墨烯技术开发是材料科学领域中热点前沿，中国技术储备实力雄厚。目前美国、英国、中国、日本和韩国等国家的产业化开发处于相对前列。全球范围内都开展了相关的研究。截至2014年7月底的最新数据表明，有关石墨烯产业化相关专利，中国排名第一，技术储备相对丰厚。未来一旦石墨烯大规模产业化成功，中国有望在未来全球石墨烯产业格局中占据先机。（三）石墨烯目前正处于产业化攻坚阶段。目前石墨烯产业关键和难点是相关材料的制备、转移技术和上下游产业链整合，上述进程推进尚需假以时日。鉴于石墨烯优良的性质和未来广阔的应用空间，我们看好当前有相应技术储备的公司，或与研究机构有广泛合作的公司，未来一旦石墨烯顺利产业化，此类公司的研究成果有望快速转化为公司业绩，在产业竞争格局中占据有利地位。（四）目前涉及到石墨烯业务的上市公司较多，均处于研发试验或新涉阶段，尚未对业绩构成实质性影响，建议关注中国宝安、烯碳新材、金路集团、中泰化学、康得新、力合股份、华丽家族和方大碳素等涉及石墨烯业务的公司，未来主题性投资机会有望持续。一、石墨烯简介近年来，新材料领域发展日新月异，而石墨烯无疑是新材料领域最耀眼的一颗新星。严格来说，石墨烯是由单层碳原子构成的六角形蜂巢晶格的平面二维材料，在实验室成功制备石墨烯样本之前，石墨烯通常被认为是假设性结构。2004年，英国科学家利用特殊胶带将石墨片反复分离，最后得到由单层碳原子构成的膜，成功制备石墨烯。自此以后，制备石墨烯的方法层出不穷，未来石墨烯有望快速进入工业化生产阶段。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者查看原图石墨烯的发现颠覆了凝聚态物理学界既往的二维材料不能在有限温度下存在的观念，其结构非常稳定，各项物理性质优异。迄今为止，相关研究并未发现石墨烯样本中出现碳原子缺失的情形。微观碳原子结构稳定，原子间作用力强，原子面出现弯曲变形以应对外部机械力，具备良好的承受外力作用。同时六角蜂巢晶体的稳定结构使得石墨烯具备良好的导电性，碳原子发生挤撞，电子运动基本不会受到影响。石墨烯具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质。它是目前最也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好，具备导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用，可以说是未来最有前景的先进材料之一。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者查看原图二、石墨烯未来应用领域由于石墨烯独特的原子排列方式和众多优异的性能，应用范围非常广泛，针对不同的性能，可以延伸出诸多应用。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者查看原图目前石墨烯材料分为两类，一类是由单层或多层石墨烯构成的膜，另一种是由多层石墨烯构成的微片。石墨烯膜又分为单晶膜和多晶膜。其中单晶膜可以用于集成电路等电子领域，但是产业化尚待时日。而多晶膜有望在5-10年内实现产业化应用，替代ITO玻璃用于制造触摸屏（特别是柔性制造屏）和其他需要透明电极的领域。除了纯石墨烯之外，另外还有很多石墨烯衍生物，未来也会有较为广泛的应用。总体而言，石墨烯未来应用领域将主要集中在电子、新能源、生物医疗、高精度制造业、水处理等高精尖技术领域。我们预计，石墨烯有望最先应用于电子技术领域。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者查看原图1.纳米传感器与传统的传感器相比，纳米传感器具备尺寸小，精度高的特性。更为重要的是，原子级别的传感器与宏观传感器相比，具备多种独有的微观性质，显著拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器广泛应用于生物、化学、机械、航空、军事等方面。目前主要的纳米传感器主要包括纳米磁敏传感器、纳米生物传感器和纳米光纤传感器。由于纳米传感器尺寸主要取决于探针针头大小，所以传感器尺寸显著减小，同时相应时间大大缩短，满足微观高精度测量需要。随着工业生产和环境监测的需要，纳米气敏传感器的研发获得了长足的进展，未来有望率先实现商业化应用。目前纳米气敏传感器可以用金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管、以及纳米膜等等制作。与传统的传感器相比，纳米传感器不仅尺寸有显著减少，同时具备诸多优点：其一，纳米传感器具备巨大的比表面积，传感器与气体充分接触，从而大大提升了检测的灵敏度；其二，由于纳米传感器非常灵敏，工作温度也大大降低。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者查看原图利用纳米材料的磁阻效应，科学家研制出纳米磁阻传感器。利用纳米颗粒研究制成纳米光纤生物传感器，不但具有光纤传感器的优点，而且由于此种传感器的尺寸主要取决于探针的大小，测微传感器的体积和尺寸显著减小，相应时间大大缩短，完全可以实现微创动态测量。目前，纳米气敏传感器主要包括金属氧化物半导体纳米气敏传感器和单笔碳纳米管纳米气敏传感器。基于金属氧化物半导体纳米颗粒的纳米气敏传感器主要采用对气体敏感的材料，如SnO2，ZnO，TiO2，Fe2O3等，利用上述材料的电导变化特性来制作气敏传感器。目前由纳米SnO2膜制成的气敏传感器已经实现商业化，用作可燃性气体泄漏报警器和湿度传感器。在这些纳米敏感材料中加入贵重金属纳米颗粒（例如Pt和Pd），可显著增强敏感材料对检测物质的选择性和灵敏度，同时使得工作温度显著降低。其性能的具体改善程度与加入贵重金属纳米颗粒的晶粒尺寸、化学状态及分布相关。还有采用TiO2/PtO2双层纳米膜作为敏感材料探测氢气的气敏传感器。此种传感器在空气中，甚至在CO、NH3、CH4等还原性气体存在的情况下，对氢气都表现出很高的灵敏度和选择性，相比之前的钛基探测氢气的传感器灵敏度有显著提升。还有用非电镀金属沉积法沉积Pt在SnO2纳米颗粒的表面，试验证明这种方法可以显著改善气敏传感器催化剂的性能。与传统方法相比，用非电镀沉积法形成的催化剂的不同化学状态，为研究催化剂对气体探测机制的影响提供了一种新的方法。单壁碳纳米管气敏传感器的工作原理：碳纳米管具有一定的吸附特性，吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用，改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变，通过检测其电阻变化来检测气体成分。目前已经有用化学气相沉积法在分散有催化剂的SiO2/Si基片上制得的单个的单壁碳纳米管，此种碳纳米管使得传感器在复杂的气体环境中具有选择性，区分度和灵敏度较之传统的传感器有显著提升。单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能，但是纳米管制备一直是难点。实现结构和性质可控的制备是单壁碳纳米管应用的基础和关键，同时也成为碳纳米管研究和应用发展的瓶颈。北京大学李彦课题组提出了一种利用具有固定结构的催化剂来调控生成的单壁碳纳米管结构的方案。他们采用一种高熔点的钨基合金催化剂，能够在单壁碳纳米管生长的高温环境下保持其晶态结构和形貌。同时，这类催化剂本身具有独特的结构，有助于单壁碳纳米管的成型。该研究为解决单壁碳纳米管的结构可控生长这一难题提供了一种可行的方案，为碳纳米管的应用，尤其是碳基电子学的发展奠定了基础。2.石墨烯电极石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。试验证明，石墨烯比表面积高达2600m2/g，导电性极高，且储能效率是现有材料的近两倍，是理想的电极材料。石墨烯作为电极使用时，其比表面积显著超过其他材料。因此，石墨烯在取代其他电极材料方面有广阔的应用前景，即便是目前商用超极电容器使用的活性炭等材料，比表面积也不过1000-1800m2/g左右，石墨烯的电学综合性能显著超越当前的各种材料，未来有相当大的应用空间。未来石墨烯有望应用在多种领域，包括汽车、电子、电气化机械等。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者查看原图传统的电极材料多采用ITO（铟锡氧化物），但是铟元素价格昂贵，而且较为稀有。行业正在寻找一种成本更低的材料，以替代ITO材料。石墨烯以其独有的导电透明性质成为备选材料。采用石墨烯制成的透明电极，不仅具备传电极的导电特性，同时还可以弯曲折叠，在搭建过程中可与建筑构成一体化，更加经济和实用。透明导电电极不仅应用于太阳能领域，同时还可应用在触摸屏、液晶屏、发光LED和超级电容等多种光电领域。目前全球实验室将石墨烯电极应用至上述多类型产品，包括触摸屏和超级电容。若能成功商业化，则未来有望改变电子行业制造格局。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者查看原图石墨烯是目前所知最、最强和导电性最好的材料。研究还发现，通过建立三维堆叠多层异质结构的石墨烯能够制成具备极为敏感的高效光伏设备，可以利用太阳能产生电力。预计未来有望采用石墨烯制成转换效率更高的新一代太阳能电池。预计太阳能领域将是石墨烯最先实现商业化应用的领域。（1）应用于太阳能电池领域，替代多晶硅目前太阳能研究的主要方向之一是利用有机化合物（即含碳化合物）代替昂贵的高纯度硅板，以制作价廉质轻且柔性的太阳能电池。但是这种有机太阳能电池的发展关键在于找到与有机太阳能电池匹配的柔性的、透明的、低成本的电极材料。从当前的研究进展来看，石墨烯不仅可以制成太阳能电池用的透明电极，同时还可以用作插入半导体层之间的中间电极。石墨烯最能发挥威力的领域是有机膜太阳能电池领域。在太阳能电池中使用石墨烯作为中间电极的优点在于，石墨烯是透明的，而且与半导体层的相容性较高。同时，研究发现，新型的掺杂石墨烯太阳能电池可以显著提升太阳能转换效率，当前多晶硅太阳能电池转换效率为30%，从理论上来讲，石墨烯太阳能电池有望将转换效率做到60%，未来太阳能电池有望实现小型化。展望石墨烯在太阳能电池方面的应用前景，由于石墨烯仅有一个SP2碳原子的厚度，超高的载流子迁移率使它可以极大地降低透过率与导电性之间此消彼长关系的影响，同时具备高透光和高导电的特性,因此有望替代目前的商业标准氧化铟锡(ITO)。化学掺杂可以大大降低石墨烯面电阻并调整石墨烯的功函数，制成柔性更高的透明导电膜。石墨烯制成的透明导电膜，不仅具备导电、透明等太阳能转换器件所必备的性质，还具备金属材料所不具备的柔性。同时，此种膜具备对中远红外线高透性质，能显著提升太阳能的转换效率，是新一代太阳能电池的理想材料。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者查看原图目前，在石墨烯光伏材料研究领域处于领先地位的厂商之一是富士电机。该公司参与新能源产业技术综合开发机构的革新性太阳能发电技术研究开发项目，正在积极开发采用石墨烯制成的太阳能电池透明导电膜。富士电机导入了三星公司的热CVD方法，通过一系列自主改进工艺将石墨烯的导电率显著提升，并且确保90%以上的光透射率。当前，此种工艺还存在一定的改进空间。未来石墨烯不仅有望用作太阳能透明电极，同时还有望用作半导体层级之间的中间电极。相对传统的太阳能电池，石墨烯太阳能电池相对廉价耐用，同时，石墨烯有望替代金属。石墨烯可以弯曲且透明，兼有传统材料具备的多种性质，未来有望将石墨烯太阳能电池安装在建筑物外墙，使太阳能用于日常照明和采暖等日常应用。目前的单层石墨烯太阳能电池转换效率大约在8%左右，最高转换率为15.6%，如果石墨烯的太阳能电池的转换效率能够进一步提升，同时生产成本能够进一步降低，未来应用前景显著拓宽。（2）超级电容器超级电容器是基于高比表面积炭电极/电解液界面产生的