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石墨烯
石墨烯
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石墨烯
石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
目录
简介
发展简史
石墨烯特性
1.电子运输
2.导电性
3.机械特性
4.电子的相互作用
制备方法
1.微机械分离法
2.取向附生法—晶膜生长
3.加热SiC法
4.化学还原法
5.化学解理法
应用前景
1.代替硅生产超级计算机
2.光子传感器
3.其它应用
获诺贝尔奖
部分石墨烯研究成果
1.IBM展示最小最快石墨烯晶体管
2.2011年成果
简介
发展简史
石墨烯特性
1.电子运输
2.导电性
3.机械特性
4.电子的相互作用
制备方法
1.微机械分离法
2.取向附生法—晶膜生长
3.加热SiC法
4.化学还原法
5.化学解理法
应用前景
1.代替硅生产超级计算机
2.光子传感器
3.其它应用
获诺贝尔奖
部分石墨烯研究成果
1.IBM展示最小最快石墨烯晶体管
2.2011年成果
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编辑本段简介
石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”（electricchargecarrier），的性质和相对论性的中微子非常相似。
人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。
当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
[1]
编辑本段发展简史
石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫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。
不断地这样操作，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，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。
石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。
在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。
由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。
[2]
编辑本段石墨烯特性
谁也不会想到，铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！
法国皇帝拿破仑曾经说过：
“笔比剑更有威力”，然而他在200年前说这话的时候绝对不会想到，人类使用的普通铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！
美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近研究发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
发现者是两华裔科学家
人们熟悉的铅笔是由石墨制成的，而石墨则是由无数只有碳原子厚度的“石墨烯”薄片压叠形成，石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。
自从2004年石墨烯被发现以来，有关的科学研究就从未间断过。
然而直到最近，美国科学家才首次证实了人们长久以来的怀疑，石墨烯竟是目前世界上已知的强度最高的材料！
据悉，这一惊人的科学发现是由美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家李成古和魏小丁（音译）一起研究得出的，而李成古研究“石墨烯”强度的主要工具之一，竟是普通的透明胶带！
李成古向记者解释他们的“低科技”研究方法说：
“为了了解石墨烯的强度，我们首先必须从石墨上剥离出一些石墨烯薄片，于是我们想到了透明胶带。
”科学家先将胶带粘在一块石墨上，然后再撕下来，接着科学家又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上，然后再将胶带从硅片上撕下来，这时数千小片石墨都粘到了硅片上。
比钻石还要坚硬
硅片上有数千个肉眼看不见的小孔。
科学家开始采取高科技手段，将硅片放置在电子显微镜下进行观察，科学家花费数天时间，希望能在硅片小孔上发现合适的单原子厚的石墨烯薄片。
一旦科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。
让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍！
石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。
其完美的晶格结构，常被误认为很僵硬，但事实并非如此。
石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。
这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。
这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。
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。
由于其原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。
石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。
美国哥伦比亚大学JamesHone等人最近发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门，让科学家梦寐以求的2.3万英里长（约合37000千米）太空电梯可能成为现实。
其厚度只有0.335纳米，把2000片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。
单层石墨烯几乎透明，其分子排列紧密，即使原子尺寸最小的氦也不能通过。
美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：
如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。
石墨烯的另一特性是，其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动，而且速度极快，远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。
还有，其导热性超过现有一切已知物质。
石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性OLED显示器的开发。
据了解，韩国三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。
为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，须先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。
经典物理学中，一个能量较低的电子遇到势垒的时候，如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端，那它就只能待在这一侧；在量子力学中，电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。
当它遇到势垒的时候，有可能以某种方式穿透过去，这种可能性是零到一之间的一个数；而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时，就需要用量子电动力学来解释。
量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言：
电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。
以下实验证实了量子电动力学的预言：
事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。
一般认为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%。
这也解释了石墨烯的超强导电性：
相对论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。
总结一下特性：
基于它的化学结构，石墨烯具有许多独特的物理化学性质，如高比表面积、高导电性、机械强度高、易于修饰及大规模生产等。
[3][4][2]
电子运输
在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）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态物理界。
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，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。
这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。
石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。
其霍尔电导=2e²/h,6e²/h,10e²/h....为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。
这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。
导电性
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。
石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。
这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。
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，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”（electricchargecarrier），的性质和相对论性的中微子非常相似。
石墨烯有相当的不透明度：
可以吸收大约2.3%的可见光。
而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。
机械特性
石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。
在试验过程中，他们选取了一些之间在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。
研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。
之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。
研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。
据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。
如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。
换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。
电子的相互作用
利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：
石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。
科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ALS）”电子同步加速器。
这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。
科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。
编辑本段制备方法
石墨烯的合成方法主要有两种：
机械方法和化学方法。
机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法；化学方法是化学还原法与化学解理法。
微机械分离法
最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。
2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。
典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。
但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。
取向附生法—晶膜生长
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，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。
第一层覆盖80%后，第二层开始生长。
底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。
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。
另外PeterW.Sutter等使用的基质是稀有金属钌。
加热SiC法
该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶（0001）面上分解出石墨烯片层。
具体过程是：
将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。
用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。
其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
包信和等开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解规模制备高品质无支持（Freestanding）石墨烯材料的新途径。
通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。
这是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。
化学还原法
化学还原法是将氧化石墨与水以1mg/mL的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。
SashaStankovich等利用化学分散法制得厚度为1nm左右的石墨烯。
[3]
化学解理法
化学解理法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法，氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应，迅速放出气体，使得氧化石墨层被还原的同时解理开，得到石墨烯。
这是一种重要的制备石墨烯的方法，天津大学杨全红等用低温化学解理氧化石墨的方法制备了高质量的石墨烯。
编辑本段应用前景
可做“太空电梯”缆线
据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往的发展前景。
它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。
美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线！
人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。
为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。
代替硅生产超级计算机
科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。
石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。
高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。
由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。
这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。
研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。
光子传感器
石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。
去年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。
因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。
[2]
其它应用
石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。
中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。
利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。
这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。
[4]
编辑本段获诺贝尔奖
他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。
这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。
海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。
这是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。
与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。
此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。
而作为热导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。
海姆和诺沃肖洛夫认为，石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。
由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发。
而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间，就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。
他说：
“今天早上听说这个消息时，我非常惊喜，第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。
”而海姆则表示，“我从没想过获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。
海姆认为，获得诺贝尔奖的有两种人：
一种是获奖后就停止了研究，至此终老一生再无成果；一种是生怕别人认为他是偶然获奖的，因此在工作上倍加努力。
“我愿意成为第二种人，当然我会像平常一样走进办公室，继续努力工作，继续平常生活。
”[1]
编辑本段部分石墨烯研究成果
IBM展示最小最快石墨烯晶体管
2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。
该晶体管的截止频率为155GHz，使得其速度更快的同时，也比IBM去年2月展出的100GHz石墨烯晶体管具备了更多的能力。
IBM研究人员林育名表示，石墨烯晶体管成本较低，可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能，为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向，从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。
该晶体管的研制是IBM承接美国国防部高级研究计划局的任务，研发高性能无线电频率晶体管，军方对此很感兴趣。
目前它尚未可完全用于PC机，因为自然石墨烯中缺少能隙，石墨烯晶体管不具备数码切换操作需要的开闭比，从而在处理离散数码信号方面不如传统处理器。
相比之下，石墨烯的连续能隙流使得其处理模拟信号的能力更强。
通过使用IBM改良的“类金刚石碳”，石墨烯晶体管的温度稳定性更强。
同时，它也是目前为止IBM最小的晶体管，选通脉冲宽度从550纳米降到了40纳米，而去年的产品宽度为240纳米。
[5]
2011年成果
2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上，日本富士通研究所宣布，他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。
富士通研究所的研究人员将原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底，在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜。
大面积的石墨烯制备一直是个难题。
富士通用上述方法制成了高质量的7.5厘米直径的石墨烯膜。
在此基础上，再配置电极和绝缘层，制成了石墨烯晶体管。
由于石墨烯面积较大，富士通在上面制成了几千个晶体管。
石墨烯晶体管比硅晶体管功耗低和运行速度快，可制作出性能优良的半导体器件。
如果改进技术后有望进一步扩大石墨烯面积，这样能够制作出更多的晶体管和石墨烯集成电路，为生产高档电子产品创造了条件。
2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现，石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。
研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜，将红外线照射到石墨烯薄膜上，只需很短时间就能放射出太赫兹光。
如果今后能够继续改进技术，使光源强度进一步增大，将开发出高性能的激光器。
研究团队在硅衬底上使用有机气体制作一层碳硅化合物。
然后，进行热处理，使其生长出石墨烯的薄膜。
该石墨烯薄膜只需极短暂的时间照射红外线，就能从石墨烯上发送出太赫兹光。
目前，该团队正致力于开发能将光粒封闭在内部，使光源强度增加的器件，期望能够开发出在接近室温条件下可工作的太赫兹激光器。
2010年，美国莱斯大学利用该石墨烯量子点，制作单分子传感器。
莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦键合，形成石墨烷。
石墨烷是绝缘体。
氦使石墨烯由导体变换成为绝缘体。
研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。
该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。
量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。
这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。
全球最小光学调制器问世可高速传输信号一秒钟内下载一部高清电影指日可待
据美国媒体今晨报道，美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。
这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的，研究论文将于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表。
这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料，做成一个高速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。
华人科研团队将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部，建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器（调制器是控制数据传输速度的关键），把电子信号转化成光学信号传输数字信息。
铜导线长距离传输速度最高可达100兆，而每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。
如果把10个石墨烯调制器放在一起，传输速度可以达到百万兆，上网速度将比现在快1万倍。
价廉物美是石墨烯调制器的另一优势，"目前市场上的光学调制器5250美元一个，而我们的石墨烯调制器只需要几美元"。
相对于现有调制器几个平方毫米的体积，这种石墨烯调制器还具有体积小的优势，只有25平方微米，且仅有头发丝的四百分之一细，它可以放在电脑主板上的任何位置。
张翔教授表示，新石墨烯调制器不仅可用于消费电子产品上，还可用于任何受限于数据传输速度的领域，包括生物信息学以及天气预报等，未来也会广泛应用于工业领域。
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