從戈登·摩爾提出“摩爾定律”到現(xiàn)在已經(jīng)過去了差不多半個世紀，它見證了半導體工業(yè)的長足發(fā)展。但越來越多科學家認為“摩爾定律”將迎來物理極限大考。
那么，“硅時代”之后，挑起半導體工業(yè)的大梁又會是什么材料呢?石墨烯，業(yè)界普遍認為最有前途的材料。也就是說，半導體工業(yè)將從“硅時代”進入“碳時代”。現(xiàn)在讓我們來看看這神奇之“碳”!
神奇之“碳”匪夷所思的石墨烯
石墨烯是一種由碳原子以蜂巢結(jié)構(gòu)組成的六角形平面薄膜，它只有一個碳原子厚度，所以它是一種二維結(jié)構(gòu)的材料。物理學家們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的電子運動具有很奇特的性質(zhì)，它其中的電子只有波動性沒有粒子性，也就是說電子的質(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所謂相對論量子力學的凝聚態(tài)物質(zhì)——因為無質(zhì)量的粒子必須以光速運動，從而必須用相對論量子力學來描述。而更奇妙的是，那種相對論量子力學中的“光速”并不是真空中的光速，而只有后者的1/300。
石墨烯還具有所謂的量子霍耳效應(quantumHalleffect)，這種本身就是諾貝爾獎量級的重要效應以往是要在極低溫下才能顯現(xiàn)的，石墨烯卻能將它帶到室溫下。諾沃肖洛夫在接受媒體采訪時曾經(jīng)表示，要讓物理學家們改變自己的研究方向，必須用比他們所研究的有趣十倍的東西來引誘。石墨烯對很多理論物理學家來說無疑就具有那樣的魅力，因而吸引了眾多的追隨者。
石墨烯有很多匪夷所思的特性，至今連科學家也解釋不了。例如，它有生物兼容性，植入生物體后不會有排異反應，這樣給很多現(xiàn)代診療帶來福音，還有，它在抗癌上也很神奇，在石墨烯上癌細胞難以成活但是正常細胞可以存活。
石墨烯的電阻率低，比銅和銀還低，而它的電子遷移率很高，用它做晶體管材料，可以大大提升處理器的時鐘主頻，麻省理工學院電子工程和計算機科學系副教授TomasPalacios曾表示，在現(xiàn)有技術條件下，產(chǎn)生4、5GHz以上的頻率難度都相當高。而石墨烯倍頻器可以讓系統(tǒng)運行在500GHz到1000GHz的范疇內(nèi)。僅采用0.18nm工藝，就可以制造出100GHZ的處理器。
當然，石墨烯并不僅僅在處理器領域展現(xiàn)其神奇之處，接下來我們來看看它在其它領域的應用。
石墨烯超級電容器：能量密度高充放電速度快
我們來看看下面這幾條短訊，看石墨烯是如何在電池研究中大顯身手的：
據(jù)報道，澳大利亞科學家用石墨烯制造出了一種更致密的超級電容，其使用壽命可與傳統(tǒng)電池相媲美，且能量密度為現(xiàn)有超級電容的12倍，可廣泛應用于可再生能源存儲、便攜式電子設備以及電動汽車等領域。
美國研究人員近日公布了他們研制的一種新型電池，這種電池能在幾秒內(nèi)給手機，甚至是汽車充滿電。這種名叫微型石墨烯超級電容器的裝置的充電或者是放電速度比常規(guī)電池快100倍到1000倍。這種利用單原子層碳制成的電池很容易生產(chǎn)，也很容易與電子產(chǎn)品結(jié)合到一起，甚至有可能促使更小的手機誕生。
由于石墨烯的穩(wěn)定和惰性結(jié)構(gòu)，在不損害電氣和結(jié)構(gòu)屬性的前提下直接在原始石墨烯表面上形成半導體納米結(jié)構(gòu)一直是一個挑戰(zhàn)。美國麻省理工學院(MIT)研究人員采用了聚合物涂層來改變其性能，在表面覆蓋一層氧化鋅納米線，然后覆蓋一層光感材料(鉛硫化物量子點)，研發(fā)出一種基于涂覆一層納米線的石墨烯薄片的新型太陽能電池。
研究認為，基于石墨烯的電池與基于銦錫氧化物的電池在效率上具有可比性，總的轉(zhuǎn)換效率是4.2%，這比普通硅基電池效率要低，但對專門應用領域仍具競爭力。這種電池可安裝在窗戶、屋頂或其他表面，具有成本低、透光性好、可以彎曲、質(zhì)量輕、機械強度和化學魯棒性強等優(yōu)勢。而且，這種電池完全可以在低于175℃下使用，而硅基太陽能電池則需要更高的溫度。
石墨烯圖像傳感器：光感提高1000倍
新加坡南洋理工大學助理教授WangQijie和他的研究小組精心研制了一片石墨烯傳感器。這一傳感器能夠檢測廣譜光，捕捉和持有光生成電子粒子的時間比大部分傳感器更長，捕捉光線的能力比傳統(tǒng)傳感器強1000倍，且消能也低10倍;
利用這類傳感器還可以在光線較少的情況下捕獲更清晰的照片。值得一提的是，這類傳感器將比傳統(tǒng)傳感器(次級CMOS傳感器和CCD傳感器)便宜5倍。
王教授表示：“研發(fā)這一傳感器時，我們將當前的制作實踐經(jīng)驗牢記于心。這意味著工業(yè)在原則上可以繼續(xù)利用CMOS工藝(這也是大部分電子領域的工廠廣泛使用的技術。)繼續(xù)生產(chǎn)相機傳感器，而制造商可以利用我們研發(fā)的納米材料傳感器輕而易舉地取代現(xiàn)有基礎材料。”
這一新研發(fā)的傳感器將有機會應用于紅外拍攝、交通超速拍照、衛(wèi)星地圖等等許多相關設備。研究團隊正致力于將其開發(fā)成為商業(yè)產(chǎn)品。我們也非常期待這一全新研發(fā)產(chǎn)品能更快造福人類。
石墨烯觸摸屏：取材方便、成本低、工藝簡單、低碳環(huán)保
石墨烯不僅被運用在半導體芯片、光子傳感器、太陽能電池等領域，而且在柔性觸摸屏方面上，石墨烯也有相當大的用途。
日前，一種可以隨意卷曲也不會影響使用效果的觸摸屏在重慶研制成功。中科院重慶綠色智能技術研究院表示，他們已經(jīng)實現(xiàn)了15英寸單層石墨烯的制備，并成功地將石墨烯透明電極應用于電阻觸摸屏上，制備出7英寸石墨烯觸摸屏。該研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心副主任史浩飛表示，目前該技術在國內(nèi)居于領先地位。
據(jù)了解，觸摸屏是目前最簡單、自然的一種人機交互方式，賦予了多媒體嶄新的面貌。透明電極作為觸摸屏的核心組成部分，成為當前的重要研究領域之一。目前，市場上的主導產(chǎn)品采用的材料為氧化銦錫，不僅價格高，而且易碎。新興的石墨烯觸摸屏，具有原材料獲取方便、制造成本低、制備工藝簡單、低碳環(huán)保等優(yōu)勢，優(yōu)異的柔韌性更使其具有強大的市場競爭力。
史浩飛表示，廣州、深圳等地的風投機構(gòu)已對石墨烯產(chǎn)生了濃厚的興趣，正在與中科院重慶研究院洽談合作。研究人員也正積極進行產(chǎn)業(yè)化的設備改造，預計年內(nèi)達到批量生產(chǎn)的能力。2015年后，市場上有望見到能夠卷曲的觸摸屏產(chǎn)品。
石墨烯有毒?具有危險性但不致于影響其應用
根據(jù)美國布朗大學(BrownUniversity)研究人員的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可能會破壞活細胞功能。
如果布朗大學的毒性研究結(jié)果進一步經(jīng)過多方研究證實的話，石墨烯最終可能會像碳納米管一樣被歸類在有害物質(zhì)范圍。石墨烯經(jīng)常是由天然礦物──石墨制造而來，其方式是經(jīng)由化學或機械剝離方式分離碳薄層，形成可能產(chǎn)生吸入暴露的干燥粉末。病理學家已經(jīng)針對碳納米管和其他有關的碳材料展開研究了，但是這是第一次針對2D納米材料進行毒性測試。
AgnesKane所主導的布朗大學研究團隊在展開石墨烯的毒性研究后發(fā)現(xiàn)，就像碳納米管一樣，石墨烯的確會破壞活性細胞功能。為了找出其中的原因，Kane還邀請工程系教授高華健(HuajianGao)加入這一研究團隊，以期為石墨烯材料與活性細胞的互動關系建立詳細的電腦模擬圖。
該研究團隊是在偶然間發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)果，因為他們一開始模擬石墨烯與活細胞間互動關系所顯示的結(jié)果是良性的。然而，Kane的生物小組經(jīng)由過去的毒性實驗結(jié)果已經(jīng)知道石墨碎片事實上會干擾到活細胞的正常功能。后來才發(fā)現(xiàn)，原來第一代模擬過于簡單，將石墨烯碎片建模為正方形，而現(xiàn)實世界中的石墨碎片邊緣鋒利邊角尖銳，可穿透細胞壁并吸附其余的碎片。經(jīng)過高華健教授修改模擬后成功為Kane的毒性實驗重新進行建模。
石墨烯(G)碎片邊緣尖銳，易穿透細胞薄膜
經(jīng)過修正模擬后發(fā)現(xiàn)了石墨烯將干擾細胞正常功能的機制，布朗大學病理學和實驗室醫(yī)學教授AnnettevondemBussche就能透過顯示細胞受干擾的詳細影像，重覆進行毒性實驗。后續(xù)的研究將針對人類的肺、皮膚與免疫細胞在培養(yǎng)皿中進行實驗，以確定石墨烯薄層是否會穿透活性細胞并且被吞噬。
所有令人感興趣的納米材料都具有獨特的性能，因此，盡管宣稱具有危險性但也不致于影響其材料應用，而且也有許多有毒的材料仍成功地用于半導體制造中，例如鉛、汞與鎘等。事實上，布朗大學的研究人員們還針對多種納米材料進行毒性研究，以期作為開發(fā)更安全制造與處理方法的先決條件，以便在整個生命周期都能善加利用。
“納米材料最佳之處在于你可為其進行建構(gòu)，使其具有所需的特定性能。”Kanes說，“因此，我們可以透過計算建模的方式，為這些材料進行修改，使其毒性降低。”
“聯(lián)姻”硅基技術石墨烯形有望成萬億產(chǎn)值
石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的二維晶體，只有一層碳原子的厚度，是迄今最薄也最堅硬的材料，其導電、導熱性能超強，遠遠超過硅和其他傳統(tǒng)的半導體材料?？茖W家們認為，石墨烯有望徹底變革材料科學領域，未來或能取代硅成為電子元件材料，廣泛應用于超級計算機、柔性觸摸屏、環(huán)保和醫(yī)療設備、光子傳感器以及有機太陽能電池等諸多領域。
但石墨烯征服硅谷之路面臨的主要障礙是成功地將石墨烯整合到成熟的金屬—硅化物技術內(nèi)?，F(xiàn)在，來自維也納大學、德國和俄羅斯的研究人員成功地構(gòu)建出一種新奇且高質(zhì)量的處于一層石墨烯保護和覆蓋下的金屬硅化物結(jié)構(gòu)。
為了揭示這一新結(jié)構(gòu)的基本屬性，科學家們采用了基于愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的光電效應而研制的角分辨光電子能譜儀(ARPES)。當一個光粒子同一種材料相互作用時，它能將所有能量傳遞給材料內(nèi)的一個電子。如果光粒子的能量足夠大，電子獲取的能量就足以讓它從物質(zhì)中逃逸。ARPES使科學家們能通過確定電子逃離物質(zhì)的角度，提取這種材料的電子屬性等相關信息。
該研究的合作者、奧地利維也納大學材料學研究所電子屬性研究中心的亞歷山大·格魯雷斯和尼克雷·沃比提斯基表示：“單原子厚度的石墨烯層以及由其制成的混合材料使我們能借用ARPES研究很多新奇的電子現(xiàn)象。”
借用ARPES，科學家們發(fā)現(xiàn)，這種石墨烯覆蓋的硅化物不會被氧化，所以，其可以用于很多電子材料和設備中。最重要的是，石墨烯層幾乎不同其覆蓋的硅化物發(fā)生反應，這就讓其屬性得以保存完好。這種石墨烯-硅化物有望廣泛應用于半導體、自旋電子、光伏以及熱電設備中。
石墨烯產(chǎn)業(yè)有望形成萬億產(chǎn)值
石墨烯，2004年首次從石墨中分離得出，是目前世界上已知的最薄的材料，幾乎完全透明，具有良好的導熱、導電性能。
為推動石墨烯產(chǎn)業(yè)化，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟日前在京成立。該聯(lián)盟由清華大學、中科院金屬研究所、北京現(xiàn)代華清材料科技發(fā)展中心等核心單位發(fā)起，聯(lián)合國內(nèi)從事石墨烯研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化的22家法人機構(gòu)。聯(lián)盟成員包括6所高校、4家中科院研究所、17家企業(yè)，基本囊括了國內(nèi)石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的主流單位。
作為一種新型的納米材料，石墨烯以其獨特的結(jié)構(gòu)、力學和電子性質(zhì)，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術領域有著廣泛的應用前景。它是目前人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。
分析認為，首先，石墨烯如果取代硅，有望讓計算機處理器的運行速度快數(shù)百倍。其次，石墨烯有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件。再其次，石墨烯可以推動超級電容器發(fā)展，使得同等體積的電容擴充5倍以上的容量。此外，石墨烯加入鋰電池電極中能夠大幅提高導電性能。石墨烯因其超出鋼鐵數(shù)十倍的強度，也有望被用于制造紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣和“太空電梯”的纜線，在這些領域?qū)⒁l(fā)革命性的突破。
作為一種技術含量極高的碳材料，石墨烯在半導體、光伏、鋰電池、航天、軍工、LED、觸控屏等領域都將帶來一次材料革命。由于售價高昂，石墨烯目前尚未產(chǎn)業(yè)化。有分析認為，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化其產(chǎn)值至少在萬億以上。
石墨烯的應用價值日益突顯，隨著半導制造工藝的快速發(fā)展，硅材料的就用必會達到其物理極限，到那時，石墨烯或?qū)⒊蔀?ldquo;摩爾定律”續(xù)寫者。如今，石墨烯的研究已經(jīng)引起了人們廣泛的關注，它所孕育的巨大商業(yè)價值已經(jīng)逐步顯現(xiàn)，或許用不了多久，“碳時代”就會到來。
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