石墨烯將成為“后硅時代”的新潛力材料

整理撰稿人：中科院國家科學(xué)圖書館武漢分館先進制造與新材料團隊

馮瑞華（E-mail:fengrh@mail.whlib.ac.cn）、萬勇

審稿專家：中科院金屬所譚若兵研究員

自2004年英國曼徹斯特大學(xué)利用“撕膠帶法”從石墨中剝離發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，引發(fā)全球研究熱潮，石墨烯被認為是形成納米尺寸晶體管和電路的“后硅時代”的新潛力材料。短短幾年時間，一項項突破接踵而至，石墨烯產(chǎn)品已出現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)化之路也露出曙光。

1 主要科技內(nèi)涵及意義

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的單層片狀結(jié)構(gòu)新材料。單層薄膜的厚度只有0.335 nm，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲的厚度[1]。正是由于石墨烯的獨特結(jié)構(gòu)，使其具有極強的機械強度、超高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、彈性、氣密性等優(yōu)越性能。室溫下石墨烯的強度是鋼的100倍，電子遷移率是硅的100倍，電流密度是銅的100萬倍[2]。

根據(jù)摩爾定律，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔18個月便會增加1倍，性能也將提升1倍，但傳統(tǒng)硅芯片是有物理極限的。雖然先進工藝可使硅芯片的生命周期延長，但遲早會因為尺寸無法繼續(xù)縮小而走向終結(jié)[3]。在硅芯片上蝕刻電路將變得越來越艱難，促使人們尋找替代材料來取代硅芯片的地位。以石墨烯為代表，包括有機分子、碳管納米、輝鉬、Ⅲ-Ⅴ族化合物等在內(nèi)的硅替代材料，將超越硅的物理極限，造出更小、更快、更強的芯片[4]。

2 當前世界進展

歐盟、美國、韓國、英國等投入大量資金用于石墨烯的科研以及商業(yè)化研究。2013年，由瑞典Chalmers大學(xué)領(lǐng)銜的石墨烯研究項目從歐盟迄今資助經(jīng)費規(guī)模最大的未來新興技術(shù)競賽中脫穎而出，獲得10年共10億歐元的經(jīng)費支持[5]。

石墨烯的研究進展如此之快，最重要的原因就是在實驗室可以通過相對簡單、廉價的途徑制得高品質(zhì)的石墨烯。當前，全球的科研團隊在制備方法、性質(zhì)研究以及應(yīng)用等方面開展了大量的研究工作。其中，石墨烯低成本、大規(guī)模、可重復(fù)的制備技術(shù)是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，它的突破將帶動信息通信、新能源等領(lǐng)域的新技術(shù)革命。表1為當前主要的制備方法及其存在的局限。此外，分子束外延生長、激光消融等制備方法也有一定的應(yīng)用[6]。

3 中國的優(yōu)勢

中國石墨烯SCI論文數(shù)量位居國際前列，研究水平也進入國際先進行列。石墨烯的制備方法與應(yīng)用是我國研發(fā)和關(guān)注的焦點，但還面臨較大的挑戰(zhàn)。石墨烯相關(guān)專利的申請與受理主要集中在美國、日本、中國、韓國以及歐洲。中國與韓國是石墨烯技術(shù)領(lǐng)域的后起之秀，近年來專利申請數(shù)量增長迅速[7]。中科院有許多團隊在從事石墨烯研究，在制備方法和應(yīng)用研究方面陸續(xù)取得了一系列成果，有些工作具有國際水平。

表1 石墨烯主要制備方法及其局限

4 未來的標志性成果

石墨烯在電子學(xué)（器件）、光子學(xué)（器件）等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用研究。石墨烯材料最先走向市場的應(yīng)用點可能是透明導(dǎo)電薄膜類產(chǎn)品，觸摸屏就是最典型的一個。觸摸顯示屏、電子紙和有機發(fā)光二極管等電子器件需要較低的薄膜電阻和較高的透光率，石墨烯能滿足電性能和光性能方面的需求，并且單層透光率達到了97.7%，成為傳統(tǒng)銦錫氧化物的一種良好替代選擇。石墨烯還具有出色的柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，這對于柔性電子器件而言是相當重要的特質(zhì)。觸摸屏、電子紙以及可折疊OLED等的石墨烯產(chǎn)品預(yù)計在2015年前后問市。

利用石墨烯制造晶體管，晶體管的尺寸越小，其性能越好。硅材料在10 nm的尺度上已開始不穩(wěn)定，而石墨烯可以將晶體管尺寸極限向下拓展到幾納米大小。石墨烯在高頻晶體管上的應(yīng)用仍面臨與更成熟的技術(shù)如化合物半導(dǎo)體的競爭，因此石墨烯在高頻晶體管上的實際使用可能要到2021年以后。在邏輯晶體管中，硅技術(shù)仍具有一定發(fā)展?jié)摿Γ┯捎跊]有帶隙，若要替代目前的硅技術(shù)，可能需到2020年。

石墨烯光探測器是研究最活躍的光器件之一。相比半導(dǎo)體光探測器，石墨烯的光譜范圍相當廣，從紅外到紫外都可探測。由于石墨烯過薄，有效探測面積小，使其光吸收能力較弱，最大響應(yīng)度很低?？紤]鍺光探測器的最大工作帶寬，石墨烯光探測器可能要到2020年左右才具有競爭力。

硅基光調(diào)制器的工作帶寬很窄，大約僅50 GHz，而石墨烯能夠吸收很廣的光譜范圍，響應(yīng)速度極高，能夠有效提高光調(diào)制器的性能，可實現(xiàn)高于50 GHz的工作帶寬，相關(guān)成果可能要到2020年以后[8]。

1 百度百科.Greaphene.2013-08-15.http://baike.baidu.com/view/1604935.htm?tp=9_01.

2 滕繼濮.石墨烯：完美材料與未來生活.科技日報,2011-12-23，第6版.

3 新浪科技.硅芯片尺寸極限將至：碳納米管或成替代品.2013-02-21.http://tech.sina.com.cn/it/2013-02-21/14508078033.shtml.

4 中科院國家科學(xué)圖書館武漢分館.替代硅的新型二維半導(dǎo)體材料.2013-04.

5 Europa.Graphene and Human Brain Project win largest research excellence award in history,as battle for sustained science funding continues.2013-01-28.http://europa.eu/rapid/press-release_IP-13-54_en.htm.

6 石墨烯制備與應(yīng)用路線圖.先進制造與新材料科學(xué)研究動態(tài)監(jiān)測快報,2012,（21）：1-7.

7 中科院國家科學(xué)圖書館武漢分館.石墨烯專利深度分析報告.2012-02.

8 Novoselov K S,Fal′ko V I,Colombo L et al.Aroadmap for grapheme.Nature,2012（490）：192-200.