石墨烯芯片有可能要成真！我國石墨烯產業已見雛形

近日，中國天津大學及美國佐治亞理工學院研究人員研究的關于石墨烯制成的功能半導體論文發表在了權威期刊《Nature》雜志上，為開發全新電子產品打開了大門。

據悉，該論文名為“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”（《碳化硅上的超高遷移率半導體外延石墨烯》），論文的共同第一作者為趙健、紀佩璇、李雅奇、李睿四人以及其余多位署名作者。該團隊指導教師天津大學講席教授，天津納米顆粒與納米系統國際研究中心執行主任馬雷表示，這應該是世界上第一個石墨烯制成的功能半導體。

據悉，石墨烯是由已知最強的鍵連接在一起的單片碳原子。半導體是在特定條件下導電的材料，是電子設備的基本組件。石墨烯電子學中長期存在的問題是石墨烯沒有合適的帶隙，并且無法以正確的比率打開和關閉。多年來，許多人嘗試用各種方法來解決這個問題。最新技術實現了帶隙，這是開發基于石墨烯的電子產品的關鍵一步。

科技日報最新消息顯示，研究團隊在使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長石墨烯時取得了突破。他們生產了外延石墨烯，這是在碳化硅晶面上生長的單層。研究發現，當制造得當時，外延石墨烯會與碳化硅發生化學鍵合，并開始表現出半導體特性。

但要制造功能性晶體管，必須對半導體材料進行大量操作，這可能會損害其性能。為了證明他們的平臺可作為可行的半導體發揮作用，該團隊需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。他們將原子放在石墨烯上，利用摻雜技術向系統“捐贈”電子，用于查看該材料是否是良好的導體。測量表明，他們的石墨烯半導體的遷移率是硅的10倍。換句話說，電子以非常低的阻力移動，這在電子學中意味著更快的計算。研究人員表示，這就像在碎石路上行駛與在高速公路上行駛一樣。它效率更高，升溫幅度不大，并且速度更高，因此電子可移動得更快。

新開發的產品是目前唯一具有用于納米電子學的所有必要特性的二維半導體，其電學特性遠遠優于目前正在開發的任何其他二維半導體。

研究人員表示，外延石墨烯可能會引起電子領域的范式轉變，并導致利用其獨特特性的全新技術。該材料允許利用電子的量子力學波特性，從而滿足量子計算的要求。


制備這個難題能被解決嗎？

雖然石墨烯能隙這個問題有了解決方法，但要讓石墨烯半導體真正應用到產業，還存在著第二個問題——如何大規模生產。

研究中，比較關鍵的點在于SEG晶格與SiC襯底對齊，在化學、機械和熱學方面都具有堅固性，可以使用傳統的半導體制造技術進行圖案化并無縫連接到半金屬外延石墨烯上。

用人話解釋就是，石墨烯在碳化硅襯底上直接生長的優勢在于：

省卻石墨烯轉移步驟，避免了轉移過程對石墨烯薄膜造成的污染及損傷；

可與現在的硅工藝兼容從而便于實現大規模量產；

生長溫度和石墨烯形成率都是可控的。

總的來說，研究中，石墨烯大規模應用更方便了，但在現階段，實現大規模應用還有很大差距，遠不及硅，主要有三個問題表現：

半導體領域中石墨烯只能用CVD法制備，價格昂貴，成品率低，如何實現石墨烯規模化生產是個亟待解決的問題；

石墨烯作為一種2D平面材料，有較嚴重量子效應，邊緣態和晶態均很大程度影響電子結構和電性質；

需要深入研究石墨烯的導電性，使石墨烯集成電路有更優異的性能。

以上問題體現在產業中，就是制備起來貴：利用化學沉積法制備石墨烯的工藝價格昂貴，無法規模化生產；外延生長法制備的石墨烯層數無法準確控制；機械剝離法效率低價格高；Hummer 法制備石墨烯結構受到破壞。難點在于石墨烯的剝離、生長以及規模化制備的不一致性、不穩定性和低質量。

也就是說，迄今我們還沒有規模化制備石墨烯產品的能力，產品要走出實驗室、規模化發展，需要具有很高的質量和極強的一致性、穩定性。只有找到一種價格低廉，同時在技術成熟度、獲取方便度方面都有所突破，石墨烯才能真正進入產業。

何為石墨烯？

一種未來革命性的材料

記者查閱資料發現，石墨烯是碳的同素異形體，利用石墨烯這種晶體結構可以構建碳納米管、納米帶、多壁碳納米管，它具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被專家認為是一種未來革命性的材料。

英國曼徹斯特大學物理學家：安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，由于成功從石墨中分離出石墨烯，獲得2010年度諾貝爾物理學獎。石墨烯從此進入大眾視野，成為材料家族中光芒四射的“新星”。

在材料大家族中，石墨烯只是個“晚輩”，但石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使得此前一些只能在理論上進行論證的量子效應可以通過實驗進行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質量仿佛是不存在的，這種性質使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究相對論量子力學的凝聚態物質—因為無質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。

近年來，石墨烯的研究與應用開發持續升溫，研究者們致力于在不同領域嘗試不同方法以求制備高質量、大面積石墨烯材料。通過對石墨烯制備工藝的不斷優化和改進，降低石墨烯制備成本使其優異的材料性能得到更廣泛的應用，并逐步走向產業化。


2025年整體產業規模突破千億

如今，石墨烯已上升為國家戰略級產業，各級政府和有關部門根據國家總體規劃紛紛出臺各地配套政策與措施，推進石墨烯科技研究與產業化進程。根據工信部發布的《中國制造2025重點領域技術路線圖》，到2025年，高質量石墨烯粉體年產達可達萬噸級以上，薄膜年產達上億平方米，實現8英寸石墨烯芯片批量生產，突破石墨烯在電子信息領域應用的技術瓶頸，整體產業規模突破千億。

從產業鏈角度來看，石墨烯行業產業鏈上游主要為石墨、甲烷等含碳原材料及相關石墨烯制備設備；中游為石墨烯生產供應廠商；下游廣泛應用于鋰電池、超級電容、光伏電池、油墨涂料、散熱材料、觸控面板、電線電纜等行業。

那么我國在產業鏈中，又有哪些優勢呢？上游方面，中國是全球最大的石墨生產國，近年來中國天然石墨產量平穩，初步統計2022年產量121.4萬噸；下游方面，新能源導電劑用石墨烯是我國石墨烯最大應用領域，是行業增長的主要驅動來源。同時隨著我國新能源汽車行業的飛速發展，鋰電池行業也隨之快速發展，下游需求增加促進了我國石墨烯行業的發展。

總之，政策的推進有助于這個石墨烯行業從興起走向高速發展，而產業優勢也將我國擺在了全球石墨烯行業的前列。專家預計2023年我國石墨烯產業市場規模將達367億元，未來預計產業規模將進一步擴大。

我國石墨烯全產業鏈布局已見雛形

目前，我國石墨烯全產業鏈布局已見雛形，基本上覆蓋了從上游原材料到石墨烯材料制備，再到下游應用的全環節，石墨烯的研究和產業化發展持續升溫，未來將會應用于鋰離子電池、鋰硫電池、薄膜分離、超級電容器等制造中。

不過，由于石墨烯從發現至今僅經歷10余年，其發展仍處于較新的階段。一方面，盡管石墨烯在規模化生產技術和工藝裝備等方面均取得重大進展，但其低成本規模化制備技術、下游應用技術、綠色制備技術等方面仍存在技術瓶頸，且產品普遍存在尺寸和層數不均勻、質量不穩定等問題，材料的各項性能指標遠不及實驗室水平，難以滿足大規模工業化量產的需求，制約了石墨烯在下游應用領域的拓展。

另一方面，石墨烯產業化之路還存在其他一些障礙。比如，石墨烯在某些性能方面本身也存在競爭性材料，如碳纖維、碳納米管、硅材料、石墨烯粉體等。石墨烯制備還存在著環境風險。氧化石墨烯制備過程中需要大量的酸、堿，材料本身具有較強的穩定性和極易擴散，對環境具有較大的風險。

由此可見，可控、宏量制備是任何新材料發展的首要、基礎和關鍵問題。為了支撐石墨烯產業發展，其制備需要滿足高質量、無缺陷或缺陷調控、綠色環保、低成本等要求。同時，石墨烯屬于技術、人才和資金高度密集型的前沿新材料產業，只有跟下游應用深度融合，完全打開應用市場才能快速發展。