石墨烯将成为“后硅时代”的新潜力材料

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆武汉分馆先进制造与新材料团队

冯瑞华（E-mail:fengrh@mail.whlib.ac.cn）、万勇

审稿专家：中科院金属所谭若兵研究员

自2004年英国曼彻斯特大学利用“撕胶带法”从石墨中剥离发现石墨烯以来，引发全球研究热潮，石墨烯被认为是形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料。短短几年时间，一项项突破接踵而至，石墨烯产品已出现，产业化之路也露出曙光。

1 主要科技内涵及意义

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的单层片状结构新材料。单层薄膜的厚度只有0.335 nm，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝的厚度[1]。正是由于石墨烯的独特结构，使其具有极强的机械强度、超高的导电性、导热性、弹性、气密性等优越性能。室温下石墨烯的强度是钢的100倍，电子迁移率是硅的100倍，电流密度是铜的100万倍[2]。

根据摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加1倍，性能也将提升1倍，但传统硅芯片是有物理极限的。虽然先进工艺可使硅芯片的生命周期延长，但迟早会因为尺寸无法继续缩小而走向终结[3]。在硅芯片上蚀刻电路将变得越来越艰难，促使人们寻找替代材料来取代硅芯片的地位。以石墨烯为代表，包括有机分子、碳管纳米、辉钼、Ⅲ-Ⅴ族化合物等在内的硅替代材料，将超越硅的物理极限，造出更小、更快、更强的芯片[4]。

2 当前世界进展

欧盟、美国、韩国、英国等投入大量资金用于石墨烯的科研以及商业化研究。2013年，由瑞典Chalmers大学领衔的石墨烯研究项目从欧盟迄今资助经费规模最大的未来新兴技术竞赛中脱颖而出，获得10年共10亿欧元的经费支持[5]。

石墨烯的研究进展如此之快，最重要的原因就是在实验室可以通过相对简单、廉价的途径制得高品质的石墨烯。当前，全球的科研团队在制备方法、性质研究以及应用等方面开展了大量的研究工作。其中，石墨烯低成本、大规模、可重复的制备技术是实现产业化应用的关键，它的突破将带动信息通信、新能源等领域的新技术革命。表1为当前主要的制备方法及其存在的局限。此外，分子束外延生长、激光消融等制备方法也有一定的应用[6]。

3 中国的优势

中国石墨烯SCI论文数量位居国际前列，研究水平也进入国际先进行列。石墨烯的制备方法与应用是我国研发和关注的焦点，但还面临较大的挑战。石墨烯相关专利的申请与受理主要集中在美国、日本、中国、韩国以及欧洲。中国与韩国是石墨烯技术领域的后起之秀，近年来专利申请数量增长迅速[7]。中科院有许多团队在从事石墨烯研究，在制备方法和应用研究方面陆续取得了一系列成果，有些工作具有国际水平。

表1 石墨烯主要制备方法及其局限

4 未来的标志性成果

石墨烯在电子学（器件）、光子学（器件）等领域将得到广泛的应用研究。石墨烯材料最先走向市场的应用点可能是透明导电薄膜类产品，触摸屏就是最典型的一个。触摸显示屏、电子纸和有机发光二极管等电子器件需要较低的薄膜电阻和较高的透光率，石墨烯能满足电性能和光性能方面的需求，并且单层透光率达到了97.7%，成为传统铟锡氧化物的一种良好替代选择。石墨烯还具有出色的柔韧性和化学稳定性，这对于柔性电子器件而言是相当重要的特质。触摸屏、电子纸以及可折叠OLED等的石墨烯产品预计在2015年前后问市。

利用石墨烯制造晶体管，晶体管的尺寸越小，其性能越好。硅材料在10 nm的尺度上已开始不稳定，而石墨烯可以将晶体管尺寸极限向下拓展到几纳米大小。石墨烯在高频晶体管上的应用仍面临与更成熟的技术如化合物半导体的竞争，因此石墨烯在高频晶体管上的实际使用可能要到2021年以后。在逻辑晶体管中，硅技术仍具有一定发展潜力，石墨烯由于没有带隙，若要替代目前的硅技术，可能需到2020年。

石墨烯光探测器是研究最活跃的光器件之一。相比半导体光探测器，石墨烯的光谱范围相当广，从红外到紫外都可探测。由于石墨烯过薄，有效探测面积小，使其光吸收能力较弱，最大响应度很低。考虑锗光探测器的最大工作带宽，石墨烯光探测器可能要到2020年左右才具有竞争力。

硅基光调制器的工作带宽很窄，大约仅50 GHz，而石墨烯能够吸收很广的光谱范围，响应速度极高，能够有效提高光调制器的性能，可实现高于50 GHz的工作带宽，相关成果可能要到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 滕继濮.石墨烯：完美材料与未来生活.科技日报,2011-12-23，第6版.

3 新浪科技.硅芯片尺寸极限将至：碳纳米管或成替代品.2013-02-21.http://tech.sina.com.cn/it/2013-02-21/14508078033.shtml.

4 中科院国家科学图书馆武汉分馆.替代硅的新型二维半导体材料.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 石墨烯制备与应用路线图.先进制造与新材料科学研究动态监测快报,2012,（21）：1-7.

7 中科院国家科学图书馆武汉分馆.石墨烯专利深度分析报告.2012-02.

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