石墨烯：推動柔性和透明顯示產(chǎn)品發(fā)展

碳科學(xué)一直是科學(xué)界研究的重點。石墨烯更是早已成為物理學(xué)界研究的前沿課題。自從2010年諾貝爾物理學(xué)獎引發(fā)了石墨烯瘋狂，石墨烯作為一種新的顯示材料，一直備受關(guān)注，有關(guān)石墨烯的研究從未停止。

日前，北京大學(xué)、美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)和中科院上海技術(shù)物理研究所的科學(xué)家組成國際科研團隊，通過理論計算，推算出一種能夠在常溫常壓下保持金屬形態(tài)的三維碳，并于美國《國家科學(xué)院院刊》在線發(fā)表了相關(guān)論文。該項研究或?qū)⒔议_“是否存在于常溫常壓下保持金屬形態(tài)的碳”之謎。那么，作為一直被熱炒的對象、號稱神奇之碳的石墨烯，它的研究又取得了哪些進展呢？下面我們就來看看。

石墨烯無縫集成電路架構(gòu) 噪聲容限更高、靜態(tài)功耗更低

美國科學(xué)家研制出了一種新的集成電路架構(gòu)并做出了模型。在這一架構(gòu)內(nèi)，晶體管和互連設(shè)備無縫地結(jié)合在一塊石墨烯薄片上。發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》雜志上的這項最新研究將有助于科學(xué)家們制造出能效超高的柔性透明電子設(shè)備。

目前，用來制造晶體管和互聯(lián)設(shè)備的都是大塊材料，因此很難讓集成電路變得更小，而且大塊材料也容易導(dǎo)致晶體管和互聯(lián)設(shè)備之間的“接觸電阻”變大，而這兩方面都會降低晶體管和互聯(lián)設(shè)備的性能并增加能耗?；谑┑木w管和互連設(shè)備極具前景，有望解決這些基本問題。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、加州大學(xué)圣巴巴拉分校(UCSB)電子和計算機工程系教授、納米電子設(shè)備研究實驗室主任高斯塔夫˙巴納吉表示：“石墨烯除了是目前最纖薄的材料之外，其還具有一個可調(diào)諧的帶隙。狹窄的石墨烯帶能被用來制造半導(dǎo)體；而寬的石墨烯帶是金屬。不同的石墨烯帶可以制成不同的設(shè)備，制成的設(shè)備可以無縫地結(jié)合在一起，這樣也可以降低接觸電阻。”

在實驗中，巴納吉研究團隊使用非平衡格林函數(shù)(NEGF)來對包含有如此多異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜電路架構(gòu)的性能進行評估，并研究出了一種方法，設(shè)計出了這種“全石墨烯”的邏輯電路。該研究的合作者康家豪(音譯)表示：“對電子通過由不同類型的石墨烯納米帶制造的設(shè)備和互連設(shè)備的情況以及跨過其接口的情況進行精確的評估是我們的電路設(shè)計成功并達到最優(yōu)化的關(guān)鍵。”

石墨烯研究領(lǐng)域的大咖、哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)教授菲利普˙吉姆表示：“這項研究通過使用一種全石墨烯的設(shè)備——互聯(lián)架構(gòu)，為傳統(tǒng)集成電路會遇到的接觸電阻問題提供了一種解決辦法，這將顯著簡化基于石墨烯的納米電子設(shè)備的集成電路構(gòu)建過程。”

結(jié)果表明，與目前的集成電路技術(shù)相比，新的全石墨烯電路的噪聲容限更高，且耗費的靜態(tài)功耗低很多。另外，巴納吉表示，隨著石墨烯研究領(lǐng)域不斷取得進展，這種全石墨烯電路有望在不久的將來成為現(xiàn)實。

全新石墨烯生產(chǎn)工藝 推動柔韌和透明電子產(chǎn)品發(fā)展

哥倫比亞大學(xué)工程研究實驗首次證明，可以從只有原子厚度的薄二維材料的一維邊緣來進行電接觸，而不是按照常規(guī)做法從其頂部接觸。有了這樣新的接觸架構(gòu)，研究人員已開發(fā)出一種新的層狀材料組裝工藝來防止接口污染。此外，使用石墨烯作為二維材料樣品表明，這兩種方法的結(jié)合會形成無污染石墨烯，該石墨烯目前尚未實現(xiàn)。

研究人員采用一種新技術(shù)將二維石墨烯層完全密封在一個薄的絕緣氮化硼晶體的夾層結(jié)構(gòu)中，并且將這些晶體層一個接一個地堆疊在里面。Dean解釋道：“我們組裝這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法完全消除層與層之間的任何污染，這可以通過橫切設(shè)備并觀察其在原子分辨率的透射電子顯微鏡成像來證實。”

一旦他們創(chuàng)建了堆棧，石墨烯的邊緣就會暴露蝕刻，然后將金屬蒸發(fā)到邊緣來建立電接觸。通過沿邊緣進行電接觸，該團隊實現(xiàn)了在二維有源層和三維金屬電極之間的一維接觸。此外，盡管電子僅從石墨片的一維原子邊緣進入，但接觸電阻是相當?shù)偷?，可到達每微米100 Ohms的接觸寬度，這比石墨烯頂面接觸可實現(xiàn)的值更小。

有了這兩個新工藝，即通過一維邊緣的接觸架構(gòu)和防止接口污染的堆棧組裝方法，該團隊能夠生產(chǎn)“尚未實現(xiàn)的最干凈的石墨烯”。在室溫下，這些設(shè)備表現(xiàn)出以往所沒有的性能，包括比任何傳統(tǒng)二維電子系統(tǒng)至少大兩倍的電子遷移率、當加入足夠靜電電荷到薄片時少于40 Ohms的薄層電阻率等。令人驚訝的是，這個二維薄層電阻相對于一個“大塊”三維電阻率在常溫下比其他金屬電阻率更小。在低溫下，電子通過樣品時并不分散，這種現(xiàn)象被稱為彈道傳輸。彈道傳輸在以往的樣品中觀察時是接近于1毫米的大小，但是這項工作證明樣品中同樣的行為有20毫米那么大。Dean 稱：“距離遠近純粹受設(shè)備大小所限，這表明真正的‘本質(zhì)’行為甚至?xí)谩?rdquo;

該團隊目前正在運用機械組裝和混合材料的邊緣接觸等工藝來開發(fā)新的復(fù)合材料。這些混合材料來自于全套可用的層狀材料，包括石墨烯、氮化硼、過渡金屬dichlcogenides （TMDCs）、過渡金屬氧化物（TMOs）和拓撲絕緣體（TIs）。Dean補充道：“目前，我們正利用常規(guī)手段獲得石墨烯設(shè)備前所未有的性能來探索大尺度彈道電子傳輸相關(guān)的一些效果和應(yīng)用。有了這么多聚焦于正在開發(fā)的整合層狀二維系統(tǒng)新設(shè)備的最新研究，那么石墨烯各種潛在應(yīng)用會是令人難以置信的，其中包括垂直結(jié)構(gòu)晶體管、隧道設(shè)備和傳感器、光敏混合材料、高柔韌度和透明度的電子產(chǎn)品。”

石墨烯量子晶體管 助力DNA感測器

在基因組測序技術(shù)領(lǐng)域，科學(xué)家在不斷追求速度更快、成本更低的方法和設(shè)備。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)10月30日報道，最近，美國伊利諾斯大學(xué)厄本那—香檳分校最近開發(fā)出了一種新奇的方法：把石墨烯納米帶（GNR）夾在兩層有納米孔（內(nèi)徑約1納米）的固體膜中間，再讓DNA分子穿過這種“三明治”設(shè)備，以此來感知辨認所通過的DNA堿基對。

研究人員設(shè)計的DNA感測器是一種以石墨烯為基礎(chǔ)的場效應(yīng)類晶體管設(shè)備，能探測DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)這一點的關(guān)鍵是利用了石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，制成的GNR可以多方調(diào)節(jié)，改變它的邊緣形狀、載流子濃度、納米孔位置等，由此來調(diào)節(jié)它的電導(dǎo)率和對外部電荷的靈敏度。

“在這一專業(yè)領(lǐng)域，當前主要的實驗研究是模型模擬。”這里面臨著許多難題和挑戰(zhàn)，讓-皮埃爾·萊伯頓教授介紹說，常用的密度泛函理論（DFT，一種物理學(xué)和化學(xué)中所用的量子力學(xué)模型方法，用于研究多物體系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)），僅限于固體系統(tǒng)中，而我們所處理的是一種固—液混合系統(tǒng)。此外，DFT還要對石墨烯納米帶假設(shè)一些過于簡單和理想化的條件，比如GNR寬度要一致，邊緣要規(guī)則，納米孔還要位于石墨烯帶的中心，沒有電解液的靜電穿透等。

“在我們的方法中，我們使用一種多軌道緊綁（TB）技術(shù)，比DFT處理的原子數(shù)量要大得多，而且考慮了GNR寬度不一，邊緣不規(guī)則，以及納米孔大小和位置不同等問題。”萊伯頓解釋說。此外，他們用一種多尺度法處理了雙混系統(tǒng)。

研究人員指出，其他領(lǐng)域也可能從這項研究中受益。比如開發(fā)新的小型生物電子設(shè)備，廣泛用于個體化醫(yī)療。萊伯頓說：“從更廣泛的意義上說，這是生物學(xué)與納米電子學(xué)在分子水平上的互動。納米電子設(shè)備帶給我們控制生物信息的可能，利用生物處理海量信息的能力，開辟信息處理技術(shù)的新天地。”

紫外光/臭氧真空型設(shè)備 實現(xiàn)石墨烯顯示屏制備

上海交通大學(xué)日前披露，該校物理與天文系教授陳險峰與陶海華博士科研團隊，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紫外光/臭氧真空型設(shè)備，通過利用紫外光化學(xué)反應(yīng)對石墨烯進行清洗和摻雜，有效提高其導(dǎo)電性能，使它在產(chǎn)業(yè)化過程中作為一種透明導(dǎo)電材料，讓可卷曲的電視、電腦、手機變成現(xiàn)實。

據(jù)介紹，在電子顯示器件領(lǐng)域，獲得柔性顯示屏一直是人們的夢想。然而，電極材料成了制約這一技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。在傳統(tǒng)的平板顯示行業(yè)，ITO薄膜是人們采用的常規(guī)材料。但因其質(zhì)地脆、成膜溫度高，不適宜用于普通的柔性有機基底材料上。

石墨烯用于電極材料時，其主要是由單層或幾層碳原子薄膜支撐，將大面積生長的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到任意柔性材料上，并隨之彎曲、折疊。

研究團隊認為，石墨烯是人類用于發(fā)展柔性顯示器的寶貴禮物，紫外光/臭氧真空設(shè)備提供一種準確可控的干法表面處理技術(shù)，將可能在這一使命中發(fā)揮無可替代的重要作用。

據(jù)了解，石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的二維晶體，厚度僅有一個碳原子大小，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、光學(xué)透過率和韌性等。石墨烯這一領(lǐng)域的研究，由于全世界各國政府、科研人員和產(chǎn)業(yè)界的共同關(guān)注，在不到十年的時間里取得了諸多成果。同時，由于石墨烯本身所具有的優(yōu)異特性，科研人員正在探索用石墨烯代替脆質(zhì)、資源日益匱乏的氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜。

據(jù)介紹，研究團隊研發(fā)的紫外光/臭氧表面處理真空設(shè)備，可以用來有效清洗石墨烯表面的有機污染物，并進一步實現(xiàn)載流子的摻雜。通過進一步控制工藝流程，若把石墨烯的導(dǎo)電性能提高到與ITO薄膜相當?shù)乃?，這將為柔性顯示器件所必須的陽極透明導(dǎo)電薄膜的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

專家認為，紫外光/臭氧真空設(shè)備不僅是紫外光化學(xué)反應(yīng)技術(shù)本身的革命，它還會對材料、器件、醫(yī)學(xué)、生物等眾多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響，有望成為未來產(chǎn)業(yè)界中的重要鏈條。

石墨烯毫米波器件 毫米波器件發(fā)展熱點

由于電子在石墨烯中可不被散射而進行傳輸，用其制備的晶體管尺寸更小、速度更快，能耗更低，適于高性能、高集成度的RF系統(tǒng)級芯片（SoC）應(yīng)用。

石墨烯器件工藝與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，是器件關(guān)鍵材料的更新?lián)Q代的首選。專家預(yù)測石墨烯的研究成果將對高端軍用系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)生難以估量的沖擊力，包括毫米波精密成像系統(tǒng)、毫米波超寬帶通信系統(tǒng)、雷達及電子戰(zhàn)系統(tǒng)等。

石墨烯由于其特有的高遷移率、好的噪聲性能等，在低噪聲放大應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢，能廣泛的應(yīng)用于W波段以及以上波段的毫米波單片集成電路（MMIC）和低噪聲放大器等電路中，因而成為近期研究的一個熱點。

碳納米管能讓電池變?nèi)彳?/strong>

最后，我看來再來看一個碳家族成員的神奇表現(xiàn)，雖然它不叫石墨烯。

據(jù)報道，美國新澤西理工學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種由碳納米管制成的柔性電池，未來有望在柔性顯示器和可穿戴電子設(shè)備上獲得應(yīng)用。

電子產(chǎn)品制造商現(xiàn)在已經(jīng)制造出了柔性O(shè)LED顯示器，這種開拓性的技術(shù)將讓我們身邊的電子產(chǎn)品發(fā)生根本性的改觀，可以折疊的手機、平板電腦和電視正在從科幻走入現(xiàn)實。而這種新型柔性電池的研制成功無疑讓這些柔性可折疊設(shè)備離我們更近了一步。