石墨烯：電子科技行業革命性產品

石墨烯：電子科技行業革命性產品

石墨烯具有許多創紀錄的出色性能，被譽為21世紀新材料。這使石墨烯的應用涉及廣泛領域，但在眾多應用中，石墨烯在電子領域的應用尤其值得關注。

根據2016 年年底美國的市場調研公司Grand ViewResearch 按產品、應用、地域和細分市場劃分，發布的《2014—2025 年石墨烯市場規模和趨勢的預測報告》，電子行業是石墨烯最受歡迎的應用領域。



據統計，2015 年，電子行業是石墨烯最大的應用市場，在石墨烯的各類應用市場中占據40%的份額，這歸結于消費電子不斷增長的需求，尤其是智能手機、平板電腦，已成為電子應用細分市場發展最大驅動力。本文將分析石墨烯性能優勢、全球石墨烯專利分布現狀、世界電子行業巨頭在石墨烯電子領域的研發狀況，揭示了石墨烯在電子應用領域的發展潛能、當前面臨的挑戰，以及歐盟對石墨烯電子領域的發展預期。



一、石墨烯在電子領域的應用優勢

科學界已證實，一個原子厚度石墨烯的諸多獨特性能，已打破材料王國多項記錄。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5300W/m·K 的熱導系數和高達1.5×104 cm2/Vs 的電子遷移度和出色的機械強度；像塑料一樣透明但性能好于塑料；導電、導熱好于任何金屬；具有不可滲透性，可用做防滲膜；具有化學惰性和穩定性。這使之成為新一代透明導體的理想材料。



由于用于氧化銦錫（ITO）造價高昂，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，有望帶來柔性、可折疊、摔不破的智能手機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金屬氧化物（CMOS）技術正在快速達到其技術極限。由歐洲、日本、韓國、中國臺灣、美國等5個主要的芯片制造地區發起的國際半導體技術路線圖（ITRS），已將石墨烯列為后硅電子可能的替代材料。



一個原子厚度的石墨烯有望最終帶來顛覆性的新一代柔性電子器件。因為基于塑料或紙張的電子器件成本更為低廉。利用石墨烯制備一些無源器件，例如，電阻器、電容器和天線等，以及制備二極管或簡單的場效應晶體管，有望帶來可在無線網絡環境下運行的柔性電路。



利用石墨烯制成超薄、柔性電子有望進行模塊化集成，從而帶來超薄的移動器件。石墨烯超強承受機械應變性能，將使得超薄移動器件可折疊、堅不可破。通過在集成電路系統中引入一些基于石墨烯的全新功能，即通過引入分布式傳感器、制動器和控制器等，有望帶來家庭自動化、環境控制和辦公室自動化，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施和安全保障。



二、行業巨頭石墨烯電子領域研發現狀



石墨烯在電子領域的未來之路有多寬？



一些世界知名的電子行業巨頭，紛紛加大石墨烯研發投入。2012 年，IBM 成功研制了世界首個由石墨烯圓片制成的集成電路。公司隨后啟動了新一代芯片技術研發計劃，投入30 億美元研發預算，利用石墨烯、碳納米管、量子計算、硅光子學等多項新技術，以期替代硅技術。截至2015 年3 月，IBM 在石墨烯領域的專利已超過200 項，并取得了多項技術突破。韓國三星電子也投入了巨大研發力量，保證了其在石墨烯應用于柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領域的國際領先地位。2014 年，三星先進技術研究院與韓國成均館大學聯合宣布，合成了一種能在更大尺度內保持導電性的石墨烯晶體，可用于在柔性顯示屏和可穿戴設備上，截至目前，韓國三星在石墨烯方面的專利已達到500 余項。其他電子行業巨頭公司，例如蘋果、惠普、戴爾和英特爾等，也都在石墨烯電子應用領域加大了研發投入，并進行了專利保護，具體如表1 所示。

三、石墨烯在電子領域應用面臨問題



3.1 材料低成本宏量制備高質量石墨烯的瓶頸

要實現石墨烯在電子領域的顛覆性應用，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用，例如，納米電子對材料有嚴苛的要求，即在單一晶體上的缺陷密度應非常低；對于其他一些應用，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，還需進一步提高材料的電子和光學性能，包括：機械形變、穩定的摻雜，以及開發成本更低、更為可靠的轉移技術。

歐盟石墨烯旗艦計劃研究團隊已對截至2014 年8 月最先進的石墨烯制備方法及其可預見的應用匯總，具體如表2 所示。



3.2 在石墨烯中打開所需的能帶隙技術仍處于初期

目前，缺陷較少、結構完整的石墨烯比較容易制得，但大多數情況下，石墨烯的帶隙寬度幾乎為零或者非常小，不能用來制作半導體器件。在石墨烯中打開一個能帶隙，而不影響石墨烯的其他出色性能，例如高電子遷移度，是目前的研發熱點。科學界已采用許多技術克服這一難題：已有科學家們通過石墨烯基底材料誘發打開能帶隙；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～0.52 eV的能帶隙；科學家們已在生長在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，所有這些技術目前都還處于初期，還需要進一步研發。很多具有前景的方法，都會增加石墨烯的缺陷。而且，到目前為止還不能達到大面積的均勻摻雜。

根據歐盟石墨烯旗艦計劃研究團隊對石墨烯用于不同電子領域驅動力、當前石墨烯技術需要解決的主要問題進行了分析（見表3）。

歐盟對石墨烯技術的發展規劃（2014—2024 年）歐盟石墨烯旗艦計劃將石墨烯技術的發展分成3 個主要部分，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，制定了每個領域預期實現的目標，如圖3 所示。



五、小結

領先的新技術行業研究公司Innova Research（壹行研）近日公布了2017 年全球石墨烯七大趨勢。報告認為2017 年，石墨烯的價格將大幅降低，石墨烯在中央處理器和芯片等核心電子元件的應用研發將獲得進一步推動。石墨烯在電子方面的應用日益普及，其中，石墨烯導電油墨和基于石墨烯的射頻標簽（RFID）在消費電子和其他電子產品市場嶄露頭角。



未來基于石墨烯的電磁干擾屏蔽/靜電保護（ EMI/ESD）元器件等技術也將會日益成熟。另外，石墨烯在中央處理器和芯片上的應用受到眾多計算機和電子業巨頭的重點關注，其未來的研發過程將得到這些巨頭進一步的推動。



報告稱，2015 年石墨烯在電子行業的應用占全球石墨烯市場收入35.9%，并預測到2020 年，石墨烯從電子行業取得的收入將超過全球石墨烯市場收入份額的一半，達到51.3%。

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