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国际首次!中国科研团队实现“石墨烯”外差混频探测

时间:2017-07-26 14:50:15


中国电科13所专用集成电路国家级重点实验室与中科院苏州纳米所、纳米器件与应用重点实验室携手,于前不久成功将石墨烯太赫兹探测器的工作频率提高至650 GHz,并在国际上首次实现了石墨烯外差混频探测,为太赫兹立体成像打开了新世界的大门。

记者今天从中国电科获悉,中国电科13所专用集成电路国家级重点实验室与中科院苏州纳米所、纳米器件与应用重点实验室携手,于前不久成功将石墨烯太赫兹探测器的工作频率提高至650 GHz,并在国际上首次实现了石墨烯外差混频探测,为太赫兹立体成像打开了新世界的大门。

石墨烯和太赫兹,一个是面向未来的新材料,一个是面向未来的新技术,后者作为电磁波家族的神秘存在,更是被誉为“改变未来世界的十大技术”之一。这种频率介于0.1THz到10THz之间的电磁波,具有较低的光子能量,较高的穿透能力,在安检成像、雷达、通信、天文、大气观测和生物医学等众多技术领域,有着广阔的应用前景。

然而,太赫兹的探测难度很大,一直制约着行业发展。按照中国电科13所专家的说法,现有的探测技术存在工作环境需要深低温、响应速度慢、探测率低等问题,因此,发展室温工作的超高灵敏度太赫兹探测器对推进太赫兹技术应用具有重要意义,必须通过运用新材料、研发新技术予以突破。

中国电科13所重点实验室和中科院苏州纳米所、纳米器件与应用重点实验室携手合作,就是要试着解决这些难题。中国电科13所技术专家蔚翠博士说,两家单位通过运用当前最火的“黑金”石墨烯材料,成功研制了可在室温环境下工作的低阻抗高灵敏度石墨烯太赫兹探测器,其工作频率和灵敏度均达到了同类探测器中的最高水平。

在这次合作中,中国电科13所重点实验室团队主要任务是提高石墨烯材料的迁移率,缩小器件的栅长,提升探测器的探测频率和灵敏度。蔚翠说:“我们用‘热解法’来制作石墨烯材料,这种方法是将碳化硅晶体加热到1600摄氏度,蒸发掉表面的硅原子,通过重新排布剩下的碳原子来获取。” 这种方法获得的晶圆级石墨烯不但均匀性更好,层数、电学性能都更有保障,未来产业化能力更强。

工艺听起来十分简单,但任何在纳米数量级上的产品制作都是分外艰难的。蔚翠说:制作栅长为纳米级的探测器,对技术团队的器件结构设计和关键工艺都提出了非常高的要求,稍有不慎就会前功尽弃。

中国电科太赫兹专业领域首席专家冯志红博士带领团队,突破了石墨烯场效应太赫兹探测器制备的系列关键技术,自主研发出了一整套低损伤,自对准探测器件工艺流程,并成功制备了100纳米栅长的石墨烯太赫兹探测器,大幅提高了探测器的工作频率和灵敏度。

这款探测器听起来有些“高冷”,但它的应用场景却分外亲切,人们极为熟知的太赫兹安检领域将来就可应用这款产品。中国电科13所技术专家梁士雄博士打了一个比方:如果说以往探测设备获取的太赫兹图像是在“拍照”的话,这种新的探测技术可以实现实时“摄像”。

还记得全球首个利用石墨烯开发的超级电容移动电源Zap&Go吗?那可是真正的充电5分钟,通话1小时啊。如今,它的开发公司Zapgo要进军中国市场了!这家创立于英国牛津的高科技公司究竟发力方向何在?一起来了解!

“超级电池”明年量产上市

近日,来自英国的Zapgo有限公司正式与株洲立方新能源科技有限责任公司(以下简称立方新能源)签订了合作协议,确定将共同开发“Carbon-Ion”石墨烯超级电容器。相比普通电池几个小时的充电时间,Carbon-Ion超级电容器3-5分钟即可完成充电。这预示着以石墨烯为代表的下一代电池终于开始了商业化量产。





作为一家国际知名的科技型公司,Zapgo为何会选择一家仅创立4年的株州企业呢?

Zapgo方面给出的理由相当简单直接:Carbon-Ion超级电容器使用的生产线与 锂离子电池相同,而立方新能源生产这一全新的产品,无须另外设计和安装生产线。

事实上,这个选择相当有道理。因为在 特斯拉 旗下动力电池的新一轮供应商名册中,排名第一的就是这家来自株州的企业。其凭借一款250瓦时/千克的动力电池打动了特斯拉,也证明了自己正处在动力电池高端研发公司之列。

或将改变新能源汽车格局

目前大多数 电动车 用的都是 锂电池 ,然而锂电池却有诸多局限。一来是价格较高,二来是电池中储蓄的电量远远不能达到使用者所需,需要经常充电。再者充电的过程缓慢,需要耗费大量的时间。





而石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性,使它拥有异常高的导电性和大表面积,在能量储存和释放过程中具有较强的优越性。因此石墨烯超级电容器能比 锂电池 储存更多的电量。

在携带同等电量的情况下,石墨烯超级电容器的体积更小,重量也更轻。这无疑对缓解目前新能源汽车普遍存在的“续航焦虑”有很大帮助。

石墨烯超级电容器的使用寿命是普通 锂电 池的两倍,但制造成本却降低了77%。由于使用可靠,价格便宜,很有可能成为改变新能源汽车格局的关键。

此外,一旦石墨烯基超级电容器的批量投产,不仅可以带动上游石墨及石墨烯产业的发展,还也可以促进风光发电、智能电网、轨道交通、重工机械及新能源汽车等下游应用终端发展。

产学研结合解决量产难题

目前,中国已成为石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。各级政府也对石墨烯表现出极大的兴趣,初步形成了政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的官产学研合作对接机制。

而与此同时,一大批石墨烯超级电容相关企业也取得了不俗的成绩:中车新能源科技研发的石墨烯超级电容充电30秒便可让超级电容公交车行驶5公里;南车新能源科技的10秒闪充电车已在全球发布;中车株机自主研制的两种新一代高比能石墨烯超级电容也已问世。

不过,尽管目前国内整体发展态势不错,但石墨烯行业却一直存在一些待解问题。比如科研人员虽有研究成果,却不能提供成批性能稳定的产品,无法将之转化为有效的产品应用。或者研发完成后,才发现其性价比远低于市面上的同类产品。而种种情况已成为制约我国石墨烯从研发到产业化的重要瓶颈。

事实上,如何实现石墨烯的有效应用,一直也是困扰全球各国的难题。此前,英国曼彻斯特大学的国家石墨烯研究院(NGI),就曾因为不能把有关石墨烯研究成果市场化,而遭到英国国会质询。

因此,未来而如何串联科研院所、产业应用专家、企业与消费市场的桥梁与纽带,助力石墨烯产品应用打通“最后一公里”实现量产将是解决问题的关键。


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