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國家為何如此重視石墨烯?

不久前,工信部、發改委和科技部等三部委日前發布《關於加快石墨烯產業創新發展的若幹意見》,欲在2020年形成完善的石墨烯產業體係,實現石墨烯材料標準化、係列化和低成本化,在多領域實現規模化應用。為何三部委對石墨烯產業如此重視呢?

石墨烯是由碳原子組成的單層石墨——最早的石墨烯就是用膠帶一層一層地把石墨變薄而獲得的,是隻有一個碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平麵薄膜。具有非常好的導熱性、電導性、透光性,而且具有高強度、超輕薄、超大比表麵積等特性,因而被譽為“超級材料”。

石墨烯的用途非常廣泛,可以被應用於鋰離子電池電極材料、薄膜晶體管、傳感器、半導體器件、複合材料製備、透明顯示觸摸屏等方麵。

石墨烯是替代矽的理想材料

相對於通過前端設計提升微結構來提高芯片性能,通過後端設計來提升主頻顯然更加簡單粗暴,而且隨著Intel在IPC上已經遭遇緊瓶,相信全球其他IC設計公司在各自的微結構達到Haswell水平後,IPC很有可能也會相繼撞牆。因此,提升主頻已經是成為了提升CPU性能的不二之選。

矽基材料集成電路主頻越高,熱量也隨之提高,並最終撞上功耗牆。目前矽基芯片最高的頻率是在液氮環境下實現的8.4G,日常使用的桌麵芯片主頻基本在3G到4G,筆記本電腦為了控製CPU功耗,主頻普遍控製在2G到3G之間。

但如果使用石墨烯材料,那麼結果就可能不同了。因為相對於現在普遍使用的矽基材料,石墨烯的載流子遷移率在室溫下可達矽的10倍以上,在實驗室環境下最高可達100倍,飽和速度是矽的5倍,電子運動速度達到了光速的1/300。同時具有非常好的導熱性能,芯片的主頻理論上可以達到300G,並且有比矽基芯片更低的功耗——早在幾年前,IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達155G。

因此,采用石墨烯材料的芯片具有極高的工作頻率和極小的尺寸,而且石墨烯芯片製造可與矽工藝兼容,是矽的理想替代材料——在前端設計水平相當的情況下,使用石墨烯製造的芯片要比使用矽基材料的芯片性能強幾十倍,隨著技術發展,進一步挖掘潛力,性能可能會是傳統矽基芯片的上百倍!同時還擁有更低的功耗。

石墨烯材料製備

石墨烯材料可分為兩類:一類是由單層或多層石墨烯構成的薄膜;另一類是由多層石墨烯(10層以下)構成的微片。

目前石墨烯製造方法多達幾十種——物理方法主要有機械剝離法、取向附生法和加熱SiC外延生長法;化學方法主要有電弧放電法、化學剝離法、氧化還原法和化學氣相沉積(CVD)法。各種製備方法獲得的石墨烯材料應用領域有所不同,比如采用電弧放電發製取的石墨烯更適合作為超級電容器的電極材料,而可用於製造集成電路的石墨烯材料的製備方法是加熱SiC外延生長法和CVD法。

  • 加熱SiC法

加熱SiC法是在SiC晶圓的Si麵或C麵上,通過加熱使Si原子蒸發掉而在SiC上形成石墨烯層。該方法製作的石墨烯材料層數可控,麵積較大,具有較高的載流子遷移率,能夠研製出高性能的射頻芯片。但目前受SiC晶圓尺寸的限製,這種技術最多隻能生長出4英寸晶圓級石墨烯,尺寸雖無法與現代芯片所需的12英寸Si材料相比,但是晶圓質量與Si晶圓相當甚至更好。2015年,北京大學采用氫輔助法在4H-SiC表麵外延生長出高質量石墨烯,其中氫充當了碳刻蝕劑的作用,產生的石墨烯層麵積更大,厚度更均勻。

  • 化學氣相沉積(CVD)法

CVD法是以銅和鎳等金屬材料作為襯底來生長具有原子級厚度的石墨烯材料。

這種方法獲得的石墨烯材料的麵積大、導電性高、透光性好和成本低,而且CVD法製作石墨烯器件的工藝與矽工藝非常兼容,是納米半導體器件的主要發展方向。2013年,中國航空工業集團公司北京航空材料研究院宣布已在銅箔表麵製備出12英寸以上的石墨烯薄膜,大尺寸、高質量的石墨烯薄膜製備技術也已突破。

石墨烯材料應用前景

因石墨烯具有的較高的載流子遷移率、極高的載流子速度、優異的等比縮小和有限的散射等特性,是電子器件和集成電路的首選材料。在射頻領域,已研製出性能極高的零帶隙大麵積石墨烯MOSFET、雙層石墨烯FET等產品;在石墨烯數字邏輯方麵,已出現了雙層石墨烯晶體管、納米帶晶體管和隧穿FET及相關電路。

在光纖通信方麵,因石墨烯中的電子在遷移時,不會因為晶格缺陷或引入外來原子而發生散射,即使周圍碳原子發生擠撞,石墨烯內部受到的幹擾也非常小。若將傳統的信號傳輸銅纜替換為石墨烯,不僅傳輸線纜的重量降低,強度增大,信道降噪抗幹擾能力也會得到極大地提升。雖然光纖傳輸速度快,效率也高,但是數據傳輸過程中,光電轉換比較麻煩。如果用石墨烯替代光纖應用於有線傳輸,不僅能保障傳輸速度和質量,還能免除廣電轉換過程,進而省去了一大堆光電轉換設備及研究、製造經費。

在傳感器製造方麵,因石墨烯僅吸收2.3%的光,並使所有光譜的光均勻地通過,具有非常好的透光性,可以用於傳感器的製作。據新加坡一個科研團隊展示的科研成果,石墨烯感光元件的性能比傳統傳感器強1000倍——在昏暗的光線環境中, 這類傳感器依然能夠捕捉到較為清晰的物體影像。

在屏幕製造方麵,因具有輕、薄、幾乎完全透光、強度大、柔韌性好等特點,石墨烯是最有潛力替代氧化銦錫的材料。采用石墨烯技術的屏幕和現在的手機屏幕相比,不僅更薄、透光性更好,而且還具有更好的韌性,更不容易破損,甚至還能做成能夠卷起的柔性屏幕。石墨烯屏幕能比現在用的屏幕擁有更好的用戶體驗。

在鋰電池上采用石墨烯材料電極,能有效提升電池的提升電池倍率充放電性能、循環壽命和能量密度,具體請參照《華為Mate8的石墨烯電池是怎麼回事》。

相對於上述用途,在無線通信領域石墨烯芯片的大規模應用很有可能會先行一步。

目前主流的4G係統基站雖然已經采用了負責基帶處理的BBU+負責射頻的RRU通過光纖拉遠的架構,但由於機房站址資源日益稀缺和高成本,將BBU集中設置以節省機房的需求越來越強烈,同時也要求對基帶資源共享、集中調度等功能的實現。

由於基帶信號對帶寬和各項處理資源的消耗很大,現有芯片和背板處理速度根本無法實現更大規模的基帶資源集中調度和共享,同時在散熱、功耗等方麵也麵臨很大挑戰。

若采用石墨烯材料,不但芯片處理能力、數據交換速率能得到大幅提升,石墨烯良好的導熱、導電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方麵的要求降低,進而實現處理能力達到上萬載頻的集中式基帶資源池。未來無線通信技術無疑以滿足高速數據業務為主,而傳統的宏蜂窩技術已經無法滿足應用,必然走向宏微結合的異構網絡架構,引入大量smellcell網元以滿足室內以及熱點場景的覆蓋和容量需求。

但隨著這些網元的引入,改變了原有宏站的網絡拓撲結構,產生大量新的幹擾場景,必須通過引入各種站間、宏微協同等技術予以消除。

比如采用協同多點傳送和接收技術,但會帶來各種協同算法加載後的大量複雜計算對資源的消耗,而基於石墨烯材料的基帶芯片大量應用,其強悍的運算能力將使這些原本需要海量運算能力的技術和算法具有可操作性。

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