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? ? ?作為一種新型材料，石墨烯自被發(fā)現(xiàn)15年來，正以預(yù)期的速度朝著其商業(yè)進程發(fā)展。

? ? ?將一種新材料推向市場有可能改變整個行業(yè)。但是人們通常忽略，基于科學(xué)創(chuàng)新成果的轉(zhuǎn)化一般需要花費數(shù)年的時間，而取得巨大的市場成功則至少需要20至30年。多種不同材料和器件的應(yīng)用過程證實了這一點，舉幾個例子來說：固定化酶、導(dǎo)熱材料、導(dǎo)電聚合物或工業(yè)用激光器?？梢妼⑿虏牧贤葡蚴袌龅奶魬?zhàn)不容小覷，新材料的開發(fā)并不會像軟件開發(fā)一樣迅速，基于新材料的創(chuàng)新道路是艱難，漫長且昂貴的。

? ? ?材料的市場化時間甚至?xí)缭綆讉€世紀(jì)。從1824年發(fā)現(xiàn)硅到1958年發(fā)明硅芯片，足足有124年的時間?，F(xiàn)在，幾乎所有現(xiàn)代產(chǎn)品都使用了芯片技術(shù)。自從1947年第一臺設(shè)備問世以來，已經(jīng)有數(shù)百萬美元被投入到了半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。在國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）中開發(fā)通道長度更短的晶體管，對一家公司來說需要數(shù)十億美元的投資，如果開發(fā)成功，建立晶圓廠需要再注入數(shù)十億美元的現(xiàn)金。值得注意的是，在1947年后的最初7年中，是由于Teal及其貝爾實驗室和德州儀器（TI）的同事在硅方面的開拓性工作，才使得許多基于Ge的設(shè)備開始轉(zhuǎn)向Si。

? ? ?創(chuàng)新并不是憑空而來的。從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究，再到開發(fā)，設(shè)計，生產(chǎn)和營銷，它并不是線性進行的。相反，它的特點是各種參與者和商業(yè)活動之間存在廣泛的聯(lián)系，互動和反饋。創(chuàng)新可以被視為一個系統(tǒng)的過程。因此，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間建立有效的網(wǎng)絡(luò)，并促進創(chuàng)造周期來管理早期技術(shù)風(fēng)險，是創(chuàng)新的主要動力，對于新材料的創(chuàng)新尤其如此，例如石墨烯和相關(guān)材料（GRMs），包括非碳基層裝材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)。?基于材料創(chuàng)新的特點是，利益終端如系統(tǒng)集成商和原始設(shè)備制造商與材料研發(fā)投入的脫鉤。此外，最終產(chǎn)品中通常只需要少量的材料，這給材料生產(chǎn)商建立可行的商業(yè)模式帶來了額外的挑戰(zhàn)。例如，一個300mm的石墨烯晶圓只需要少于0.1mg的石墨烯，并且可以創(chuàng)造出數(shù)千個器件。同樣，在聚合物復(fù)合材料中，僅需要包含少量體積百分比的石墨烯就可使導(dǎo)電率提高幾個數(shù)量級，并且機械性能提高100%以上。石墨烯行業(yè)是一個很好的說明這個問題的例子。盡管如此，新材料作為許多行業(yè)的推動者，在能源、機械、汽車和醫(yī)療設(shè)備等許多重要領(lǐng)域的可持續(xù)轉(zhuǎn)型中起著關(guān)鍵作用。面對如此巨大的挑戰(zhàn)，早期的工作通常需要公共資金的支持。就GRMs而言，歐洲石墨烯旗艦計劃以及在中國，韓國，美國和日本的類似計劃發(fā)揮了這一作用。創(chuàng)新支持行動關(guān)鍵的要求是通過技術(shù)和創(chuàng)新路線圖（例如用于硅的ITRS和GRM路線圖）來識別和表征創(chuàng)新的戰(zhàn)略目標(biāo)區(qū)域，做市場布局。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1. 全球石墨烯市場的歷史和預(yù)期收入

? ? ?市場信息是定義此類路線圖的技術(shù)要求的重要組成部分。以石墨烯為例，有許多市場可供研究選擇，市場價值估計范圍很廣，2025年的市場價值從約1.8億美元到21億美元不等。為了挖掘發(fā)展趨勢，我們將2013年和2019年20個市場調(diào)研的結(jié)果合并到一個市場分析圖中?？梢灶A(yù)測到2025年平均增長率約達40％，如圖1a所示。這也表明全球市場需求從2015年的1500–5000萬美元，到2025年左右約可以達到2–20億美元。需要注意的是，圖中描繪的是“石墨烯的市場價值”。在這里，這些預(yù)測的數(shù)字代表的是材料本身而不是最終產(chǎn)品的收益。這有很大的區(qū)別，比如2018年硅晶圓的市場為90億美元，而由硅芯片推動的智能手機全球銷售額超過5000億美元。假設(shè)比率相似，石墨烯產(chǎn)品的總市值應(yīng)該比圖1大100倍。另外，這些市場研究中的數(shù)字是如何得出的，每個提供者都有一套自己的（或多或少保密的）方式來估算。大多數(shù)情況下，它們是基于當(dāng)前的市場價格、產(chǎn)量以及各專家和生產(chǎn)者的估計得到的。大多數(shù)數(shù)據(jù)提供者聲稱進行了廣泛的背景研究，并且對許多公司與主要參與者進行了電話（或個人）采訪。但是我們無法評估這些方法的有效性。因此：（1）我們假設(shè)這些數(shù)據(jù)代表的是石墨烯材料的價值/收入，而不包括石墨烯最終產(chǎn)品；（2）我們假設(shè)通過對（理想情況下）整個石墨烯生產(chǎn)部門，當(dāng)前價格和產(chǎn)量進行映射（與理想情況下該領(lǐng)域的所有相關(guān)參與者進行交談）來計算/估算這些數(shù)字；（3）我們需要這些估算，并且不知道其準(zhǔn)確性。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2. 到2025年，將石墨烯市場按用途分類

? ? ?石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域多種多樣。盡管有些產(chǎn)品已經(jīng)或即將進入市場，例如涂料和復(fù)合材料，但許多應(yīng)用需要更多的時間和研發(fā)投入。為了比較石墨烯在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，研究者們比較了按不同應(yīng)用場景對2025年的市場預(yù)測。圖2展示了復(fù)合年增長率（CAGR）與不同應(yīng)用領(lǐng)域盈利預(yù)測的關(guān)系圖。普遍認(rèn)為，石墨烯在電池和超級電容器等儲能器件應(yīng)用（黃色方塊）中具有很高的市場潛力（> 1億美元）。石墨烯復(fù)合材料和導(dǎo)電膜/電極（藍色方塊）預(yù)計將會有較高的復(fù)合年增長率（?30％）和較高的盈利，而石墨烯基（光電）電子和傳感器（灰色方塊）預(yù)計將具有> 20％的較高的增長率，但盈利不高。隨著越來越多的產(chǎn)品進入市場，石墨烯的研發(fā)（黑方塊）預(yù)計將以約0％的恒定復(fù)合年增長率持續(xù)增長，這表明石墨烯可能在某些領(lǐng)域已經(jīng)超出了單純的研發(fā)階段。

? ? ?在歐洲，已有數(shù)十種基于石墨烯的器件設(shè)備即將或已經(jīng)進入市場。大多數(shù)與材料和中間體的生產(chǎn)相關(guān)，包括具有成本效益的大規(guī)模生產(chǎn)GRMs系統(tǒng)。利用石墨烯的組件和系統(tǒng)也已進入市場。例如，從可見光（400 nm）到近紅外/短波紅外光（1800 nm）的寬光譜范圍內(nèi)具有低噪聲的石墨烯光電探測器，霍爾效應(yīng)傳感器和可以減輕重量并節(jié)省燃油的石墨烯增強復(fù)合材料飛機的水平尾翼，耐腐蝕的石墨烯增強樹脂已經(jīng)在化工廠中用于替代金屬，從而節(jié)省了成本和重量。歐洲已經(jīng)建立了數(shù)十家新的初創(chuàng)企業(yè)和衍生企業(yè)。在世界范圍內(nèi)數(shù)量則更多。例如在中國，成千上萬的公司聲稱正在實現(xiàn)石墨烯的商業(yè)化。但是，我們正在進入并購時代，許多此類公司將無法生存或?qū)⒈缓喜ⅰＶ挥凶裱J(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化和驗證以及健康和安全程序的公司才能長期生存。

? ? ?僅利用“石墨烯”一詞來標(biāo)榜產(chǎn)品的新穎度是不夠的，事實上，大多數(shù)“石墨烯”生產(chǎn)商出售的材料與理想石墨烯幾乎不相關(guān)。這并不是說除非使用完美的單層石墨烯，否則不應(yīng)該聲稱該產(chǎn)品是基于石墨烯的。只是說生產(chǎn)者應(yīng)該公開并明確說明他們采用的是什么。氧化石墨烯，有缺陷或功能化的石墨烯，包含厚的多層石墨烯薄片的粉末或油墨等存在巨大的機會，對此人們不應(yīng)該忽略它們而聲稱其為石墨烯。

? ? ?基于GRM設(shè)備的最終性能必須明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，盡管在復(fù)合材料或油墨領(lǐng)域，百分之幾的改進就足以引起了人們的興趣，但在（光電）電子領(lǐng)域，一個新產(chǎn)品想要與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)相比具有競爭力，需要有幾個數(shù)量級的性能提升。石墨烯類材料最有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域不是相對于現(xiàn)有技術(shù)的改進，而是開拓一個石墨烯類材料本身支持度新領(lǐng)域。例如，石墨烯中的無質(zhì)量狄拉克費米子使其成為光電子學(xué)的理想材料，可實現(xiàn)寬帶，高速和低功耗。這使得石墨烯適合創(chuàng)造現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)所不允許的新器件。

? ? ?對于石墨烯的未來工業(yè)化路線，我們預(yù)測短期（<5年）的應(yīng)用將在材料領(lǐng)域（例如，復(fù)合材料，油墨和涂料）；中期（5-10年）應(yīng)用在能源領(lǐng)域（例如，電池，太陽能電池）和光電領(lǐng)域（例如，用于5G的光開關(guān)和調(diào)制器以及傳感器）；在未來的5-15年中，這些應(yīng)用市場將進一步擴大，性能提升的建筑材料，用于水凈化的膜，用于超級電容器的電極，柔性太陽能電池，用于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器以及自動駕駛都將受益于石墨烯。在未來(約15-30年)，我們還將看到醫(yī)療設(shè)備利用石墨烯的特性，而層狀材料是量子技術(shù)的新平臺。

? ? ?在石墨烯被發(fā)現(xiàn)十五年之后的今天，期望廣泛的市場滲透是不現(xiàn)實的。石墨烯的確具有獨特的性質(zhì)，但是，它本質(zhì)上與其他新材料沒有什么不同，其他新材料至少需要30年并需要大量投資才能產(chǎn)生巨大的市場影響。創(chuàng)建創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)并提供整體創(chuàng)新支持是促進石墨烯商業(yè)化的關(guān)鍵因素。盡管如此，其第一個相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)進入市場，預(yù)計在未來15年內(nèi)將有更多基于石墨烯的創(chuàng)新，并且商業(yè)規(guī)?；虼竺娣e生產(chǎn)方法正在逐步發(fā)展。

? ? ?一切才剛剛開始。

? ? ?參考文獻：Graphene is on track to deliver on its promises

? ? ?作者：T. Reiss, K. Hjelt & A. C. Ferrari

? ? ?鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-019-0557-0

產(chǎn)業(yè)資訊 / Industry

石墨烯發(fā)展路線的分析與預(yù)測，一切才剛剛開始

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石墨烯發(fā)展路線的分析與預(yù)測，一切才剛剛開始

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