國(guó)家為何如此“寵愛”石墨烯？

不久前，工信部、發(fā)改委和科技部等三部委日前發(fā)布《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，欲在2020年形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)石墨烯材料標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和低成本化，在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。為何三部委對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)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，是只有一個(gè)碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的導(dǎo)熱性、電導(dǎo)性、透光性，而且具有高強(qiáng)度、超輕薄、超大比表面積等特性，因而被譽(yù)為“超級(jí)材料”。

▲石墨烯非常輕

石墨烯的用途非常廣泛，可以被應(yīng)用于鋰離子電池電極材料、薄膜晶體管、傳感器、半導(dǎo)體器件、復(fù)合材料制備、透明顯示觸摸屏等方面。

石墨烯是替代硅的理想材料

相對(duì)于通過前端設(shè)計(jì)提升微結(jié)構(gòu)來提高芯片性能，通過后端設(shè)計(jì)來提升主頻顯然更加簡(jiǎn)單粗暴，而且隨著Intel在IPC上已經(jīng)遭遇緊瓶，相信全球其他IC設(shè)計(jì)公司在各自的微結(jié)構(gòu)達(dá)到Haswell水平后，IPC很有可能也會(huì)相繼撞墻。因此，提升主頻已經(jīng)是成為了提升CPU性能的不二之選。

硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。

但如果使用石墨烯材料，那么結(jié)果就可能不同了。因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料，石墨烯的載流子遷移率在室溫下可達(dá)硅的10倍以上，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下最高可達(dá)100倍，飽和速度是硅的5倍，電子運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300。同時(shí)具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻理論上可以達(dá)到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實(shí)驗(yàn)室中的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管主頻達(dá)155G。

▲IBM的石墨烯圓晶/芯片

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，而且石墨烯芯片制造可與硅工藝兼容，是硅的理想替代材料——在前端設(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強(qiáng)幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會(huì)是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍!同時(shí)還擁有更低的功耗。

石墨烯材料制備

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

目前石墨烯制造方法多達(dá)幾十種——物理方法主要有機(jī)械剝離法、取向附生法和加熱SiC外延生長(zhǎng)法;化學(xué)方法主要有電弧放電法、化學(xué)剝離法、氧化還原法和化學(xué)氣相沉積(CVD)法。各種制備方法獲得的石墨烯材料應(yīng)用領(lǐng)域有所不同，比如采用電弧放電發(fā)制取的石墨烯更適合作為超級(jí)電容器的電極材料，而可用于制造集成電路的石墨烯材料的制備方法是加熱SiC外延生長(zhǎng)法和CVD法。

加熱SiC法

加熱SiC法是在SiC晶圓的Si面或C面上，通過加熱使Si原子蒸發(fā)掉而在SiC上形成石墨烯層。該方法制作的石墨烯材料層數(shù)可控，面積較大，具有較高的載流子遷移率，能夠研制出高性能的射頻芯片。但目前受SiC晶圓尺寸的限制，這種技術(shù)最多只能生長(zhǎng)出4英寸晶圓級(jí)石墨烯，尺寸雖無法與現(xiàn)代芯片所需的12英寸Si材料相比，但是晶圓質(zhì)量與Si晶圓相當(dāng)甚至更好。2015年，北京大學(xué)采用氫輔助法在4H-SiC表面外延生長(zhǎng)出高質(zhì)量石墨烯，其中氫充當(dāng)了碳刻蝕劑的作用，產(chǎn)生的石墨烯層面積更大，厚度更均勻。

化學(xué)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(zhǎng)具有原子級(jí)厚度的石墨烯材料。

這種方法獲得的石墨烯材料的面積大、導(dǎo)電性高、透光性好和成本低，而且CVD法制作石墨烯器件的工藝與硅工藝非常兼容，是納米半導(dǎo)體器件的主要發(fā)展方向。2013年，中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院宣布已在銅箔表面制備出12英寸以上的石墨烯薄膜，大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜制備技術(shù)也已突破。

石墨烯材料應(yīng)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(yōu)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(lǐng)域，已研制出性能極高的零帶隙大面積石墨烯MOSFET、雙層石墨烯FET等產(chǎn)品;在石墨烯數(shù)字邏輯方面，已出現(xiàn)了雙層石墨烯晶體管、納米帶晶體管和隧穿FET及相關(guān)電路。

在光纖通信方面，因石墨烯中的電子在遷移時(shí)，不會(huì)因?yàn)榫Ц袢毕莼蛞胪鈦碓佣l(fā)生散射，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部受到的干擾也非常小。若將傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸銅纜替換為石墨烯，不僅傳輸線纜的重量降低，強(qiáng)度增大，信道降噪抗干擾能力也會(huì)得到極大地提升。雖然光纖傳輸速度快，效率也高，但是數(shù)據(jù)傳輸過程中，光電轉(zhuǎn)換比較麻煩。如果用石墨烯替代光纖應(yīng)用于有線傳輸，不僅能保障傳輸速度和質(zhì)量，還能免除廣電轉(zhuǎn)換過程，進(jìn)而省去了一大堆光電轉(zhuǎn)換設(shè)備及研究、制造經(jīng)費(fèi)。

在傳感器制造方面，因石墨烯僅吸收2.3%的光，并使所有光譜的光均勻地通過，具有非常好的透光性，可以用于傳感器的制作。據(jù)新加坡一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)展示的科研成果，石墨烯感光元件的性能比傳統(tǒng)傳感器強(qiáng)1000倍——在昏暗的光線環(huán)境中， 這類傳感器依然能夠捕捉到較為清晰的物體影像。

▲石墨烯傳感器

在屏幕制造方面，因具有輕、薄、幾乎完全透光、強(qiáng)度大、柔韌性好等特點(diǎn)，石墨烯是最有潛力替代氧化銦錫的材料。采用石墨烯技術(shù)的屏幕和現(xiàn)在的手機(jī)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(xiàn)在用的屏幕擁有更好的用戶體驗(yàn)。

▲石墨烯屏幕

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(huán)壽命和能量密度。

石墨烯材料對(duì)5G通信的意義

相對(duì)于上述用途，在無線通信領(lǐng)域石墨烯芯片的大規(guī)模應(yīng)用很有可能會(huì)先行一步。

目前主流的4G系統(tǒng)基站雖然已經(jīng)采用了負(fù)責(zé)基帶處理的BBU+負(fù)責(zé)射頻的RRU通過光纖拉遠(yuǎn)的架構(gòu)，但由于機(jī)房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設(shè)置以節(jié)省機(jī)房的需求越來越強(qiáng)烈，同時(shí)也要求對(duì)基帶資源共享、集中調(diào)度等功能的實(shí)現(xiàn)。

由于基帶信號(hào)對(duì)帶寬和各項(xiàng)處理資源的消耗很大，現(xiàn)有芯片和背板處理速度根本無法實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的基帶資源集中調(diào)度和共享，同時(shí)在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰(zhàn)。

若采用石墨烯材料，不但芯片處理能力、數(shù)據(jù)交換速率能得到大幅提升，石墨烯良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)處理能力達(dá)到上萬載頻的集中式基帶資源池。未來無線通信技術(shù)無疑以滿足高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，而傳統(tǒng)的宏蜂窩技術(shù)已經(jīng)無法滿足應(yīng)用，必然走向宏微結(jié)合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，引入大量smellcell網(wǎng)元以滿足室內(nèi)以及熱點(diǎn)場(chǎng)景的覆蓋和容量需求。

但隨著這些網(wǎng)元的引入，改變了原有宏站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，產(chǎn)生大量新的干擾場(chǎng)景，必須通過引入各種站間、宏微協(xié)同等技術(shù)予以消除。

比如采用協(xié)同多點(diǎn)傳送和接收技術(shù)，但會(huì)帶來各種協(xié)同算法加載后的大量復(fù)雜計(jì)算對(duì)資源的消耗，而基于石墨烯材料的基帶芯片大量應(yīng)用，其強(qiáng)悍的運(yùn)算能力將使這些原本需要海量運(yùn)算能力的技術(shù)和算法具有可操作性。

5G通信的特性就是“萬物互聯(lián)”，具有熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接、低時(shí)延高可靠等特點(diǎn)——在人口密集區(qū)為用戶提供1Gbps用戶體驗(yàn)速率和10Gbps峰值速率;具備超千億網(wǎng)絡(luò)連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求;在車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求，為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。

因此，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址技術(shù)和全頻譜接入等技術(shù)就成為5G無線技術(shù)的發(fā)展方向，而這些技術(shù)很有可能需要倚重石墨烯材料的廣泛應(yīng)用。