石墨烯：電子科技行業(yè)革命性產(chǎn)品

石墨烯：電子科技行業(yè)革命性產(chǎn)品

石墨烯具有許多創(chuàng)紀(jì)錄的出色性能，被譽(yù)為21世紀(jì)新材料。這使石墨烯的應(yīng)用涉及廣泛領(lǐng)域，但在眾多應(yīng)用中，石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用尤其值得關(guān)注。

根據(jù)2016 年年底美國(guó)的市場(chǎng)調(diào)研公司Grand ViewResearch 按產(chǎn)品、應(yīng)用、地域和細(xì)分市場(chǎng)劃分，發(fā)布的《2014—2025 年石墨烯市場(chǎng)規(guī)模和趨勢(shì)的預(yù)測(cè)報(bào)告》，電子行業(yè)是石墨烯最受歡迎的應(yīng)用領(lǐng)域。



據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015 年，電子行業(yè)是石墨烯最大的應(yīng)用市場(chǎng)，在石墨烯的各類應(yīng)用市場(chǎng)中占據(jù)40%的份額，這歸結(jié)于消費(fèi)電子不斷增長(zhǎng)的需求，尤其是智能手機(jī)、平板電腦，已成為電子應(yīng)用細(xì)分市場(chǎng)發(fā)展最大驅(qū)動(dòng)力。本文將分析石墨烯性能優(yōu)勢(shì)、全球石墨烯專利分布現(xiàn)狀、世界電子行業(yè)巨頭在石墨烯電子領(lǐng)域的研發(fā)狀況，揭示了石墨烯在電子應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?jié)撃?、?dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，以及歐盟對(duì)石墨烯電子領(lǐng)域的發(fā)展預(yù)期。



一、石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

科學(xué)界已證實(shí)，一個(gè)原子厚度石墨烯的諸多獨(dú)特性能，已打破材料王國(guó)多項(xiàng)記錄。石墨烯是世界上已知硬度最高的材料，幾乎完全透明，具有高達(dá)5300W/m·K 的熱導(dǎo)系數(shù)和高達(dá)1.5×104 cm2/Vs 的電子遷移度和出色的機(jī)械強(qiáng)度；像塑料一樣透明但性能好于塑料；導(dǎo)電、導(dǎo)熱好于任何金屬；具有不可滲透性，可用做防滲膜；具有化學(xué)惰性和穩(wěn)定性。這使之成為新一代透明導(dǎo)體的理想材料。



由于用于氧化銦錫（ITO）造價(jià)高昂，而且銦具有脆性，石墨烯成為可替代氧化銦錫理想材料，可用于顯示器和觸摸屏。將石墨烯電極用于顯示屏，有望帶來(lái)柔性、可折疊、摔不破的智能手機(jī)和其他可重塑形電子。



由于受到晶體管很難變得更加小型化的限制，目前用于集成電路的互補(bǔ)金屬氧化物（CMOS）技術(shù)正在快速達(dá)到其技術(shù)極限。由歐洲、日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、美國(guó)等5個(gè)主要的芯片制造地區(qū)發(fā)起的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS），已將石墨烯列為后硅電子可能的替代材料。



一個(gè)原子厚度的石墨烯有望最終帶來(lái)顛覆性的新一代柔性電子器件。因?yàn)榛谒芰匣蚣垙埖碾娮悠骷杀靖鼮榈土?。利用石墨烯制備一些無(wú)源器件，例如，電阻器、電容器和天線等，以及制備二極管或簡(jiǎn)單的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，有望帶來(lái)可在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行的柔性電路。



利用石墨烯制成超薄、柔性電子有望進(jìn)行模塊化集成，從而帶來(lái)超薄的移動(dòng)器件。石墨烯超強(qiáng)承受機(jī)械應(yīng)變性能，將使得超薄移動(dòng)器件可折疊、堅(jiān)不可破。通過(guò)在集成電路系統(tǒng)中引入一些基于石墨烯的全新功能，即通過(guò)引入分布式傳感器、制動(dòng)器和控制器等，有望帶來(lái)家庭自動(dòng)化、環(huán)境控制和辦公室自動(dòng)化，使得生活更加美好、健康、舒適，也將為老年人、一線工人提供足夠的設(shè)施和安全保障。



二、行業(yè)巨頭石墨烯電子領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀



石墨烯在電子領(lǐng)域的未來(lái)之路有多寬？



一些世界知名的電子行業(yè)巨頭，紛紛加大石墨烯研發(fā)投入。2012 年，IBM 成功研制了世界首個(gè)由石墨烯圓片制成的集成電路。公司隨后啟動(dòng)了新一代芯片技術(shù)研發(fā)計(jì)劃，投入30 億美元研發(fā)預(yù)算，利用石墨烯、碳納米管、量子計(jì)算、硅光子學(xué)等多項(xiàng)新技術(shù)，以期替代硅技術(shù)。截至2015 年3 月，IBM 在石墨烯領(lǐng)域的專利已超過(guò)200 項(xiàng)，并取得了多項(xiàng)技術(shù)突破。韓國(guó)三星電子也投入了巨大研發(fā)力量，保證了其在石墨烯應(yīng)用于柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。2014 年，三星先進(jìn)技術(shù)研究院與韓國(guó)成均館大學(xué)聯(lián)合宣布，合成了一種能在更大尺度內(nèi)保持導(dǎo)電性的石墨烯晶體，可用于在柔性顯示屏和可穿戴設(shè)備上，截至目前，韓國(guó)三星在石墨烯方面的專利已達(dá)到500 余項(xiàng)。其他電子行業(yè)巨頭公司，例如蘋果、惠普、戴爾和英特爾等，也都在石墨烯電子應(yīng)用領(lǐng)域加大了研發(fā)投入，并進(jìn)行了專利保護(hù)，具體如表1 所示。

三、石墨烯在電子領(lǐng)域應(yīng)用面臨問題



3.1 材料低成本宏量制備高質(zhì)量石墨烯的瓶頸

要實(shí)現(xiàn)石墨烯在電子領(lǐng)域的顛覆性應(yīng)用，首先要突破石墨烯的制備瓶頸。石墨烯特定工藝的適宜性取決于其具體應(yīng)用，例如，納米電子對(duì)材料有嚴(yán)苛的要求，即在單一晶體上的缺陷密度應(yīng)非常低；對(duì)于其他一些應(yīng)用，例如生物傳感器，則可能需要帶有缺陷的石墨烯；而印刷電子卻允許更低的質(zhì)量，即較低載流子遷移度的石墨烯。CVD 法正成為制備大面積石墨烯薄膜的理想方法，但需要解決的問題還很多，還需進(jìn)一步提高材料的電子和光學(xué)性能，包括：機(jī)械形變、穩(wěn)定的摻雜，以及開發(fā)成本更低、更為可靠的轉(zhuǎn)移技術(shù)。

歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃研究團(tuán)隊(duì)已對(duì)截至2014 年8 月最先進(jìn)的石墨烯制備方法及其可預(yù)見的應(yīng)用匯總，具體如表2 所示。



3.2 在石墨烯中打開所需的能帶隙技術(shù)仍處于初期

目前，缺陷較少、結(jié)構(gòu)完整的石墨烯比較容易制得，但大多數(shù)情況下，石墨烯的帶隙寬度幾乎為零或者非常小，不能用來(lái)制作半導(dǎo)體器件。在石墨烯中打開一個(gè)能帶隙，而不影響石墨烯的其他出色性能，例如高電子遷移度，是目前的研發(fā)熱點(diǎn)?？茖W(xué)界已采用許多技術(shù)克服這一難題：已有科學(xué)家們通過(guò)石墨烯基底材料誘發(fā)打開能帶隙；在h-BN 或h-BN/Ni（111）基底上打開0.5 eV 能帶隙；最新理論證明，可在沉積在氧終止的SiO2 表面上的石墨烯中，打開一個(gè)～0.52 eV的能帶隙；科學(xué)家們已在生長(zhǎng)在SiC 基底上的雙層石墨烯中打開能帶隙；這里不一一列舉。然而，所有這些技術(shù)目前都還處于初期，還需要進(jìn)一步研發(fā)。很多具有前景的方法，都會(huì)增加石墨烯的缺陷。而且，到目前為止還不能達(dá)到大面積的均勻摻雜。

根據(jù)歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃研究團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨烯用于不同電子領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)力、當(dāng)前石墨烯技術(shù)需要解決的主要問題進(jìn)行了分析（見表3）。

歐盟對(duì)石墨烯技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃（2014—2024 年）歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃將石墨烯技術(shù)的發(fā)展分成3 個(gè)主要部分，分別為材料制備、元件制備和最終的石墨烯集成于各類系統(tǒng)，制定了每個(gè)領(lǐng)域預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，如圖3 所示。



五、小結(jié)

領(lǐng)先的新技術(shù)行業(yè)研究公司Innova Research（壹行研）近日公布了2017 年全球石墨烯七大趨勢(shì)。報(bào)告認(rèn)為2017 年，石墨烯的價(jià)格將大幅降低，石墨烯在中央處理器和芯片等核心電子元件的應(yīng)用研發(fā)將獲得進(jìn)一步推動(dòng)。石墨烯在電子方面的應(yīng)用日益普及，其中，石墨烯導(dǎo)電油墨和基于石墨烯的射頻標(biāo)簽（RFID）在消費(fèi)電子和其他電子產(chǎn)品市場(chǎng)嶄露頭角。



未來(lái)基于石墨烯的電磁干擾屏蔽/靜電保護(hù)（ EMI/ESD）元器件等技術(shù)也將會(huì)日益成熟。另外，石墨烯在中央處理器和芯片上的應(yīng)用受到眾多計(jì)算機(jī)和電子業(yè)巨頭的重點(diǎn)關(guān)注，其未來(lái)的研發(fā)過(guò)程將得到這些巨頭進(jìn)一步的推動(dòng)。



報(bào)告稱，2015 年石墨烯在電子行業(yè)的應(yīng)用占全球石墨烯市場(chǎng)收入35.9%，并預(yù)測(cè)到2020 年，石墨烯從電子行業(yè)取得的收入將超過(guò)全球石墨烯市場(chǎng)收入份額的一半，達(dá)到51.3%。

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