歐盟石墨烯旗艦計畫-創新研究與應用發展趨勢

    總計畫暨工程平臺 陳欣珏博士後研究員                                

    歐盟石墨烯旗艦計畫-創新研究與應用發展趨勢

    2022年11月27日

    總計畫暨工程平臺 陳欣珏博士後研究員

    壹、 前言

            2009年,歐盟委員會(European Commission)提出三個大的長期、跨學科之研發專案計畫,稱為旗艦計畫(Flagship Initiatives),以因應大的科技挑戰。石墨烯旗艦計畫(Graphene Flagship Initiative)〔1〕即為三大旗艦計畫之一。在2013年,歐盟委員會把石墨烯旗艦計畫列為第一批未來新興技術旗艦計畫(Future and Emerging Technologies (FET) Flagship Initiatives)〔2〕之一,為期10年,斥資10歐元。參與成員包括17個歐洲國家中的75個學術與工業合作夥伴,其目標在於將石墨烯從實驗室帶到生活當中,並將其商業化,創造二維材料的應用市場。

    圖一、石墨烯旗艦計畫〔3〕

    貳、 石墨烯的特性

    石墨烯(Graphene)是一種由碳原子與兩個相鄰探原子,以sp2混成軌域組成二維層狀結構,形成六角型呈蜂巢晶格。層狀結構之間的鍵結僅由較弱的物理作用主導,使得層間容易滑動分裂成片狀的平面薄膜。石墨烯即為只有一個碳原子厚度(約0.3-0.5奈米)的二維材料。單層的石墨烯具有類似金屬的導電性,適合用來製造太陽能電池〔4〕。石墨烯是目前世上電阻率最小的材料,由於它的電阻率極低,電子的移動速度極快,因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。石墨烯世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料。它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,因此可用來製造透明觸控螢幕、光板。藉由其透光與導電的特性,也可用以製成「聚乙烯醇」(PVA)與「聚對苯二甲酸乙二酯」(PET)導電基板,以及生醫感測器。石墨烯的導熱系數高達5,300 W/(m·K),高於奈米碳管和金剛石,因此可開發出散熱塗料。石墨烯具有生物相容性、化學穩定性與親水性,因此可作為癌症之奈米級標靶藥物的材料。半導體教父張忠謀曾說:「看好碳導管、石墨烯等新材料可能會成為下一波半導體新技術!」〔5, 6〕可見石墨烯以掀起一場材料革命。

    圖二、石墨烯的結構〔7〕

     

    參、 Flag-ERA III石墨烯研究計畫

    Flag-ERA(Flagship ERA-NET)是ERA-NET的「共同資助」(Cofund)計畫,目標是與歐盟委員會一起支持「未來新興技術旗艦計畫」,其目的在於透過一系列徵求案及活動來支持石墨烯人腦研究的兩大旗艦計畫。Flag-ERA III是第三個ERA-NET計畫,從2019年12月開始至2024年11月底結束,為期五年,其中涵蓋了2021年的跨國聯合徵求案(joint transnational calls, JTCs),簡稱JTC 2021。JTC2021的核心計畫可以分成以下6個類別,其中4個是科學類別,1個是合作計畫,1個是管理類別。6個類別中,一共包含了19個工作包(work packages),其中15個屬於「研究與創新」,另外4個屬於「營運管理」。6個類別簡述如下〔8〕:

    1. 使能科學與材料:石墨烯的探索性研究,開發材料合成的方法。探索石墨烯在自旋電子學的應用中,用於數據傳輸、處理和儲存的潛力。
    2. 健康、醫學和傳感器:分析石墨烯的生物安全性,為其安全使用設定標準。設計用於診斷、醫療監測和治療的石墨烯技術。使用石墨烯材料開發和改進物理與生物傳感設備。
    3. 電子與光子學集成:製造和開發光子和光電元件,並將石墨烯集成到矽晶片製造工藝中,以實現電子電路的永續性發展。
    4. 能源、複合材料和生產:開發基於石墨烯的電池和超級電容器、光伏電池板和氫燃料電池。開發用於環境修復的新型泡沫和塗料、用於工業應用的新型複合材料,以及用於航空的防火、防腐蝕材料。
    5. 合作夥伴:建立「石墨烯相關材料」(Graphene-related materials,GRM)的資料庫,匯集國家與歐盟資助之研究計畫的資料。建立歐洲的研究設施與專家網絡。
    6. 行政與服務:管理、協調和支持石墨烯的創新研究。

    圖三、JTC 2021的核心計畫〔9〕

      基於核心計畫的6個類別,JTC2021分成「基礎研究」與「應用研究與創新」兩個研究方向,簡述如下:

    1. 基礎研究:了解層狀磁性材料與其異質結構的合成與表徵,以評估及發展其在未來技術中的潛力。展示二維非晶體材料〔10〕與金屬和電介質的集成。設計基於GRM之超低功耗自旋軌道儲存器。評估GRM釋放到水生環境或土壤中時可能的降解方式。設計和製造基於GRM的神經型態計算設備和電路。設計與研究基於GRM的「紅外線/太赫茲」(infrared + THz emission)元件。開發先進的功能化GRM,以提高「多價金屬離子電池」(multivalent metal-ion batteries,MMIBs)。製造基於GRM的高靈敏度化學傳感器〔11〕。提高對GRM「多相流」〔12〕流變學的了解。
    2. 應用研究與創新:設計基於GRM泡沫與塗料的高效屏障個人防護裝置(Personal Protective Equipment, PPE)。開發基於GRM的大腦神經接口。運用基於GRM的光電探測器,開發同時覆蓋可見光與紅外光的光譜儀。透過基於GRM的收發器,開發太赫茲與光信號的轉換及超快速檢測機制。將GRM開發為高能量密度負極,提高金屬離子電容器(metal-ion capacitor)的性能。開發釩氧化還原液流電池。開發可以「自充電」(self-charging)和「自供電」(self-powered)的電子設備。

    肆、 結語

      石墨烯旗艦計畫的目標在於促進歐洲尖端科技的發展,創造石墨烯二維材料的商業市場。由於石墨烯輕薄、導電、導熱、透光、堅硬等特性,石墨烯材料可廣泛應用在各產業領域,包括:行動裝置、傳感器、穿戴式裝置、通訊硬體網路、抗癌藥物、腦神經接口系統、航太材料…等。由此可知,石墨烯極具創新研發的潛力。石墨烯從實驗室轉移到產業界,未來也將逐漸在我們生活中發揮愈來愈大的影響力。

    註釋

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