诺奖得主笔下的石墨烯蓝图

后期——高度集成光互连技术成型之后。

兆赫级信号发射器可以被用于许多领域之中，例如医学成像，化学传感器和安全设备。早期设想，兆赫级电磁波发射器使用石墨烯作为媒介来产生光泵受激辐射。然而，其电子和空穴有着相近的迁移率，所以photo-Dember（由于电子与空穴有着不同的扩散时间，形成偶极并产生兆赫级辐射）的影响不会那么有效。因此，很难获得克服受激发射阈值，且不破坏材料的连续操作波。最近关于兆赫波发射器的研究认为：在飞秒激光脉冲区域内，使用单层或者多层石墨烯的脉冲激励，可以产生载体，载体可以加速产生兆赫波。然而，在强度方面，石墨烯比III–V族元素的半导体的光导天线或者共振穿梭器要小103—104。预计在2030年之后兆赫波发生器中才会使用石墨烯材料。

5.4 光学偏振控制器

偏振控制器（如偏振器和旋转偏振器）是重要的无源元件，它们可以操纵极化光子的性质。差动横向磁场的衰减模式下，由于Dirac费米子的激发可以得到覆盖了较宽的通讯带，其消光比为27dB。简化的光学偏振器已经被用于结合了线性传导层石墨烯的数据通讯光学纤维中。高质量微米级石墨烯需要与光学纤维或者硅杂化设备结合使用。因此，如果石墨烯的生产技术已经成熟，那么这些设备就可以在2020年前投入使用。

法拉第消光是一种常用的调控光偏振的方法。石墨烯中二维电子气的郎道量子化，产生剧烈的快速回旋响应和宽带可调谐性。更大的偏振旋转可以通过石墨烯结构多层堆叠实现。两个偏振器与法拉第旋转器同时使用可以得到简单的混合光电隔离器。但是小于1T的理想磁场是石墨烯光电隔离器最大的挑战，因此石墨烯光电隔离器将会推迟到21世纪20年代后期上市。

6 复合材料、油漆和涂层

石墨烯涂料可以应用于导电油墨、抗静电、电池屏蔽、气体屏障材料中。理论上来说，所有以石墨烯为主的公司和新公司可以生产液相或者热剥离石墨烯，那么制备工艺会向着简单合理的方向发展。此外，今后几年石墨烯的化学衍生物将会得到大量的发展，可以控制产品的导电率和透明度。

石墨烯是高惰性的，所以可以作为保护层防止水和氧的扩散。由于在合适的情况下石墨烯可以在任何金属表面上直接生长，形成保护层，所以石墨烯可以运用在复杂的表面上。

石墨烯的机械性能、化学性能、电性能、屏蔽性能以及高的纵横比，使得石墨烯在复合材料中的应用十分诱人。碳纤维的商业地位很高，与其相比石墨烯在作为支撑材料前，必须要使得它的成本合算。目标是使得每千克石墨烯价格为25欧元，并且杨氏模量可以到达250GHz。此外，纯石墨烯可能没有碳纤维一样的粘附性能，这需要更多化学改性研究来改善石墨烯的粘附性能。

给复合材料带来额外功能是另一个较大市场，其中石墨烯所占的份额会很大而且可能会迅速地发展。石墨烯可以阻隔气体和水，可以作为电磁屏蔽材料，可以传递电和热，也可以在聚合物矩阵中监测应力变化。作为聚合物的添加剂，加入石墨烯可能会使加工温度升高、减少水分的吸收、诱导抗静电行为、给予光电保护、提高轴向压缩强度。在很多的应用中，因碳纤维机械连接性过大而限制了其应用，所以需要使用石墨烯来代替（例如注塑复合材料）。

考虑到许多公司已经建立了石墨烯和氧化石墨烯的生产线，石墨烯复合材料在几年之后出现是可以预想得到的。利用简单的方法制备得到超过10μm的石墨烯仍有很大困难，但只有在这个尺寸下才能充分发挥石墨烯高杨氏模量的优点。幸运的是，单层的石墨烯片就有很强的增强效果，这让石墨烯复合材料在短时间内出现成为了可能。

7 能源生产和存储

▲图4 石墨烯材料在超级电容器中的应用

人们一直都在寻找高效的可再生能源技术，石墨烯已经加入了可再生能源研究这一行列。目前，有许多关于太阳能电池的研究，石墨烯在其中的作用可以分为作为活性介质和作为透明或者分布式电极。前一种方法与光电探测器的工作原理相同，原则上能均匀吸收宽光谱。然而，由于石墨烯低的内在光学吸收率，这种设备需要复杂的干涉法或者等离子体增强结构才能大规模使用。相反，使用石墨烯透明电极可以很好的应用于半导体量子点和染料-光敏太阳能电池中。在石墨烯中通过掺杂可以改变费米能级的位置，该电极使用电子和空穴作为导电媒介。由于通过液相或者热剥离法生产石墨烯的成本正在下降，研究人员可以考虑在染料太阳能电池中广泛使用石墨烯，特别是可以在那些机械柔性占主要的应用领域。

目前，在新一代锂离子电池中使用石墨烯的相关研究已经有很多。