近日，中國天津大學(xué)及美國佐治亞理工學(xué)院研究人員研究的關(guān)于石墨烯制成的功能半導(dǎo)體論文發(fā)表在了權(quán)威期刊《Nature》雜志上，為開發(fā)全新電子產(chǎn)品打開了大門。

據(jù)悉，該論文名為“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”（《碳化硅上的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯》），論文的共同第一作者為趙健、紀(jì)佩璇、李雅奇、李睿四人以及其余多位署名作者。該團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師天津大學(xué)講席教授，天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心執(zhí)行主任馬雷表示，這應(yīng)該是世界上第一個(gè)石墨烯制成的功能半導(dǎo)體。

據(jù)悉，石墨烯是由已知最強(qiáng)的鍵連接在一起的單片碳原子。半導(dǎo)體是在特定條件下導(dǎo)電的材料，是電子設(shè)備的基本組件。石墨烯電子學(xué)中長期存在的問題是石墨烯沒有合適的帶隙，并且無法以正確的比率打開和關(guān)閉。多年來，許多人嘗試用各種方法來解決這個(gè)問題。最新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了帶隙，這是開發(fā)基于石墨烯的電子產(chǎn)品的關(guān)鍵一步。

科技日?qǐng)?bào)最新消息顯示，研究團(tuán)隊(duì)在使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長石墨烯時(shí)取得了突破。他們生產(chǎn)了外延石墨烯，這是在碳化硅晶面上生長的單層。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制造得當(dāng)時(shí)，外延石墨烯會(huì)與碳化硅發(fā)生化學(xué)鍵合，并開始表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。

但要制造功能性晶體管，必須對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行大量操作，這可能會(huì)損害其性能。為了證明他們的平臺(tái)可作為可行的半導(dǎo)體發(fā)揮作用，該團(tuán)隊(duì)需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。他們將原子放在石墨烯上，利用摻雜技術(shù)向系統(tǒng)“捐贈(zèng)”電子，用于查看該材料是否是良好的導(dǎo)體。測量表明，他們的石墨烯半導(dǎo)體的遷移率是硅的10倍。換句話說，電子以非常低的阻力移動(dòng)，這在電子學(xué)中意味著更快的計(jì)算。研究人員表示，這就像在碎石路上行駛與在高速公路上行駛一樣。它效率更高，升溫幅度不大，并且速度更高，因此電子可移動(dòng)得更快。

新開發(fā)的產(chǎn)品是目前唯一具有用于納米電子學(xué)的所有必要特性的二維半導(dǎo)體，其電學(xué)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前正在開發(fā)的任何其他二維半導(dǎo)體。

研究人員表示，外延石墨烯可能會(huì)引起電子領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變，并導(dǎo)致利用其獨(dú)特特性的全新技術(shù)。該材料允許利用電子的量子力學(xué)波特性，從而滿足量子計(jì)算的要求。


制備這個(gè)難題能被解決嗎？

雖然石墨烯能隙這個(gè)問題有了解決方法，但要讓石墨烯半導(dǎo)體真正應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)，還存在著第二個(gè)問題——如何大規(guī)模生產(chǎn)。

研究中，比較關(guān)鍵的點(diǎn)在于SEG晶格與SiC襯底對(duì)齊，在化學(xué)、機(jī)械和熱學(xué)方面都具有堅(jiān)固性，可以使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)行圖案化并無縫連接到半金屬外延石墨烯上。

用人話解釋就是，石墨烯在碳化硅襯底上直接生長的優(yōu)勢在于：

省卻石墨烯轉(zhuǎn)移步驟，避免了轉(zhuǎn)移過程對(duì)石墨烯薄膜造成的污染及損傷；

可與現(xiàn)在的硅工藝兼容從而便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)；

生長溫度和石墨烯形成率都是可控的。

總的來說，研究中，石墨烯大規(guī)模應(yīng)用更方便了，但在現(xiàn)階段，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還有很大差距，遠(yuǎn)不及硅，主要有三個(gè)問題表現(xiàn)：

半導(dǎo)體領(lǐng)域中石墨烯只能用CVD法制備，價(jià)格昂貴，成品率低，如何實(shí)現(xiàn)石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)是個(gè)亟待解決的問題；

石墨烯作為一種2D平面材料，有較嚴(yán)重量子效應(yīng)，邊緣態(tài)和晶態(tài)均很大程度影響電子結(jié)構(gòu)和電性質(zhì)；

需要深入研究石墨烯的導(dǎo)電性，使石墨烯集成電路有更優(yōu)異的性能。

以上問題體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)中，就是制備起來貴：利用化學(xué)沉積法制備石墨烯的工藝價(jià)格昂貴，無法規(guī)模化生產(chǎn)；外延生長法制備的石墨烯層數(shù)無法準(zhǔn)確控制；機(jī)械剝離法效率低價(jià)格高；Hummer 法制備石墨烯結(jié)構(gòu)受到破壞。難點(diǎn)在于石墨烯的剝離、生長以及規(guī)模化制備的不一致性、不穩(wěn)定性和低質(zhì)量。

也就是說，迄今我們還沒有規(guī)模化制備石墨烯產(chǎn)品的能力，產(chǎn)品要走出實(shí)驗(yàn)室、規(guī)模化發(fā)展，需要具有很高的質(zhì)量和極強(qiáng)的一致性、穩(wěn)定性。只有找到一種價(jià)格低廉，同時(shí)在技術(shù)成熟度、獲取方便度方面都有所突破，石墨烯才能真正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)。

何為石墨烯？

一種未來革命性的材料

記者查閱資料發(fā)現(xiàn)，石墨烯是碳的同素異形體，利用石墨烯這種晶體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)建碳納米管、納米帶、多壁碳納米管，它具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被專家認(rèn)為是一種未來革命性的材料。

英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家：安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，由于成功從石墨中分離出石墨烯，獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯從此進(jìn)入大眾視野，成為材料家族中光芒四射的“新星”。

在材料大家族中，石墨烯只是個(gè)“晚輩”，但石墨烯對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，它使得此前一些只能在理論上進(jìn)行論證的量子效應(yīng)可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在二維的石墨烯中，電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，這種性質(zhì)使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究相對(duì)論量子力學(xué)的凝聚態(tài)物質(zhì)—因?yàn)闊o質(zhì)量的粒子必須以光速運(yùn)動(dòng)，從而必須用相對(duì)論量子力學(xué)來描述。

近年來，石墨烯的研究與應(yīng)用開發(fā)持續(xù)升溫，研究者們致力于在不同領(lǐng)域嘗試不同方法以求制備高質(zhì)量、大面積石墨烯材料。通過對(duì)石墨烯制備工藝的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，降低石墨烯制備成本使其優(yōu)異的材料性能得到更廣泛的應(yīng)用，并逐步走向產(chǎn)業(yè)化。


2025年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億

如今，石墨烯已上升為國家戰(zhàn)略級(jí)產(chǎn)業(yè)，各級(jí)政府和有關(guān)部門根據(jù)國家總體規(guī)劃紛紛出臺(tái)各地配套政策與措施，推進(jìn)石墨烯科技研究與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。根據(jù)工信部發(fā)布的《中國制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》，到2025年，高質(zhì)量石墨烯粉體年產(chǎn)達(dá)可達(dá)萬噸級(jí)以上，薄膜年產(chǎn)達(dá)上億平方米，實(shí)現(xiàn)8英寸石墨烯芯片批量生產(chǎn)，突破石墨烯在電子信息領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億。

從產(chǎn)業(yè)鏈角度來看，石墨烯行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游主要為石墨、甲烷等含碳原材料及相關(guān)石墨烯制備設(shè)備；中游為石墨烯生產(chǎn)供應(yīng)廠商；下游廣泛應(yīng)用于鋰電池、超級(jí)電容、光伏電池、油墨涂料、散熱材料、觸控面板、電線電纜等行業(yè)。

那么我國在產(chǎn)業(yè)鏈中，又有哪些優(yōu)勢呢？上游方面，中國是全球最大的石墨生產(chǎn)國，近年來中國天然石墨產(chǎn)量平穩(wěn)，初步統(tǒng)計(jì)2022年產(chǎn)量121.4萬噸；下游方面，新能源導(dǎo)電劑用石墨烯是我國石墨烯最大應(yīng)用領(lǐng)域，是行業(yè)增長的主要驅(qū)動(dòng)來源。同時(shí)隨著我國新能源汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，鋰電池行業(yè)也隨之快速發(fā)展，下游需求增加促進(jìn)了我國石墨烯行業(yè)的發(fā)展。

總之，政策的推進(jìn)有助于這個(gè)石墨烯行業(yè)從興起走向高速發(fā)展，而產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢也將我國擺在了全球石墨烯行業(yè)的前列。專家預(yù)計(jì)2023年我國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將達(dá)367億元，未來預(yù)計(jì)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。

我國石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈布局已見雛形

目前，我國石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈布局已見雛形，基本上覆蓋了從上游原材料到石墨烯材料制備，再到下游應(yīng)用的全環(huán)節(jié)，石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展持續(xù)升溫，未來將會(huì)應(yīng)用于鋰離子電池、鋰硫電池、薄膜分離、超級(jí)電容器等制造中。

不過，由于石墨烯從發(fā)現(xiàn)至今僅經(jīng)歷10余年，其發(fā)展仍處于較新的階段。一方面，盡管石墨烯在規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)和工藝裝備等方面均取得重大進(jìn)展，但其低成本規(guī)模化制備技術(shù)、下游應(yīng)用技術(shù)、綠色制備技術(shù)等方面仍存在技術(shù)瓶頸，且產(chǎn)品普遍存在尺寸和層數(shù)不均勻、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)遠(yuǎn)不及實(shí)驗(yàn)室水平，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化量產(chǎn)的需求，制約了石墨烯在下游應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

另一方面，石墨烯產(chǎn)業(yè)化之路還存在其他一些障礙。比如，石墨烯在某些性能方面本身也存在競爭性材料，如碳纖維、碳納米管、硅材料、石墨烯粉體等。石墨烯制備還存在著環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。氧化石墨烯制備過程中需要大量的酸、堿，材料本身具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和極易擴(kuò)散，對(duì)環(huán)境具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。

由此可見，可控、宏量制備是任何新材料發(fā)展的首要、基礎(chǔ)和關(guān)鍵問題。為了支撐石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，其制備需要滿足高質(zhì)量、無缺陷或缺陷調(diào)控、綠色環(huán)保、低成本等要求。同時(shí)，石墨烯屬于技術(shù)、人才和資金高度密集型的前沿新材料產(chǎn)業(yè)，只有跟下游應(yīng)用深度融合，完全打開應(yīng)用市場才能快速發(fā)展。