石墨烯：電（diàn）子科技行業革（gé）命性（xìng）產品

石墨烯：電子科技行業革命性產（chǎn）品

石墨烯具有許多創紀錄的出色（sè）性能，被譽為21世紀新材料。這使石墨烯的應用涉及廣泛領域（yù），但在眾多應用中（zhōng），石墨烯在電子領域的應用尤（yóu）其值得（dé）關注。

根據2016 年年底美國的市場調研公司Grand ViewResearch 按產（chǎn）品、應用、地域和細（xì）分市（shì）場劃分，發布的《2014—2025 年石墨烯市場規模和趨勢的（de）預（yù）測（cè）報告》，電子行（háng）業（yè）是石（shí）墨烯（xī）最受歡迎的應用（yòng）領域（yù）。



據統計，2015 年，電（diàn）子行（háng）業是石墨烯最大的應用市場，在石墨（mò）烯的各類應用市場中占據40%的份額，這歸結於消費電子不斷增長的（de）需求，尤其是智能手（shǒu）機、平板電（diàn）腦，已成為電子應用細（xì）分市場發展最大驅（qū）動（dòng）力。本文將分（fèn）析石墨烯性能優勢、全球石墨烯專利分布現狀、世界電子行業巨頭在石墨烯電子領域的研發（fā）狀況，揭示了石墨烯在電子應（yīng）用領域的發展潛能、當前麵臨的挑戰，以及歐盟對石墨烯電子領域的發展預期。



一、石墨烯在電子領域的應用優勢

科學界已證（zhèng）實，一個原子厚度石（shí）墨（mò）烯的諸多（duō）獨特性能，已打破材料王國多項記錄。石墨烯是世界上（shàng）已知硬度最高的材料，幾乎完（wán）全透明，具有高達5300W/m·K 的熱導係數和高達1.5×104 cm2/Vs 的（de）電子遷移度和出色的（de）機械強度；像塑料一樣透明但性能好於塑料；導電（diàn）、導熱好於任何金屬；具有不可滲透性，可用做防滲膜；具有化學惰性和穩定（dìng）性。這使之成為新一代透明（míng）導體的理想材料。



由於用於氧化銦（yīn）錫（ITO）造價高昂，而且銦具有（yǒu）脆性（xìng），石墨烯（xī）成為可替代氧化銦錫理想材料，可（kě）用於顯示器和觸摸屏。將石墨烯電極用於顯示屏，有望帶來柔性、可（kě）折疊、摔不破的（de）智能手機和其他可重塑（sù）形電子。



由於受到晶體管很難變得更加小（xiǎo）型（xíng）化的限（xiàn）製，目前（qián）用於集（jí）成（chéng）電路的互補金屬氧（yǎng）化物（wù）（CMOS）技術正（zhèng）在快速達到其技術極限。由歐洲、日本、韓國、中國台（tái）灣、美國等5個主要的芯（xīn）片製造地區發起的（de）國際半導體技術路線圖（ITRS），已將石墨烯列為後矽電子可能的替代材料。



一個原子厚度的石墨烯（xī）有（yǒu）望最終（zhōng）帶來顛覆（fù）性的新一代柔性（xìng）電子器件。因為基於塑料（liào）或紙張的電子器件成本更為低廉。利用石墨烯（xī）製備一些無源器件，例如（rú），電阻器、電容器和天線等，以及製備二極管或簡單的場效應（yīng）晶體管，有望帶來可在（zài）無線（xiàn）網絡環境下運行的柔（róu）性電路。



利（lì）用石墨烯製成超薄、柔性電子有望進行模塊化集成，從而帶來超薄的移（yí）動器件。石墨烯超（chāo）強承受（shòu）機（jī）械應變性能，將使（shǐ）得超薄移動器件（jiàn）可折疊、堅（jiān）不可破。通過在集成電路係統（tǒng）中引入一些基於石墨烯的全新功能，即通過引入分布式傳感器、製動（dòng）器和控製器等，有（yǒu）望帶來家庭自動化、環境控製和辦公室自動化，使得生活更加（jiā）美好（hǎo）、健康、舒適，也將為老年人、一線工人提（tí）供足夠的設施和安全保障。



二（èr）、行業巨頭石墨烯電子領域研發現狀



石墨烯在（zài）電子領域的未（wèi）來之路有多寬？



一些世界知名的電子（zǐ）行業巨頭，紛紛加大石（shí）墨烯研發投入。2012 年，IBM 成（chéng）功研製了世界首個由石墨烯圓片製成的集成電路。公司隨後啟動了新一代芯（xīn）片技術研發計（jì）劃，投入30 億美元研發預（yù）算，利（lì）用（yòng）石墨烯、碳納米管、量子計算、矽光子學（xué）等多項新技術，以期替代矽技（jì）術。截（jié）至2015 年3 月，IBM 在（zài）石墨烯領域的專利已超過200 項，並取得了多項技術突破。韓國三星電子也投（tóu）入了（le）巨大研發力量，保證了其在石墨烯應（yīng）用於柔性顯示、觸摸屏以及芯（xīn）片等（děng）領域的（de）國際領先地位。2014 年，三星先進技術研究院與韓（hán）國（guó）成均館大學（xué）聯（lián）合宣布，合成了（le）一種能在更大尺（chǐ）度內保持導電性的石墨烯晶體，可用於在柔性顯示屏和可穿戴設備上，截至目前，韓國（guó）三星在石墨烯方麵的專利已達到500 餘項。其他電子行業巨頭公司（sī），例如蘋果、惠普、戴（dài）爾和英特爾（ěr）等，也都在石墨烯電子應用領域加大了研發投入，並進行了專利保護，具體（tǐ）如表1 所示。

三、石墨烯在（zài）電子領域應用麵臨問題



3.1 材料低成本宏量（liàng）製備高質量石墨烯的瓶頸

要實現石墨烯在電子領域的顛（diān）覆性應用，首先要突破石（shí）墨烯的製（zhì）備瓶頸。石墨烯特定工（gōng）藝的（de）適宜性取決於（yú）其具體應（yīng）用，例如（rú），納米電子對材料有嚴苛（kē）的要求，即在單一晶體（tǐ）上的缺陷密度應非常低；對於（yú）其他一些應用，例如生物傳感器（qì），則可能需要（yào）帶有缺陷的石墨（mò）烯；而印刷電子卻允許更低的質量，即較低載流子遷移度的石墨烯（xī）。CVD 法正成為製備大麵（miàn）積（jī）石墨烯（xī）薄膜的理想方法（fǎ），但需要解決的問題還很多，還需（xū）進一（yī）步提高材料的電子和（hé）光學性能，包括：機械形變（biàn）、穩（wěn）定（dìng）的摻雜，以及開發成本更（gèng）低（dī）、更為可靠的轉移技術。

歐盟石墨烯旗艦計劃研究團隊已對截至2014 年（nián）8 月最先進的（de）石墨烯製備方法（fǎ）及（jí）其可預見的應用匯總，具體（tǐ）如表2 所示。



3.2 在石墨烯中打開所需的能帶隙技術仍（réng）處於初期

目前，缺陷較少（shǎo）、結構完整的石墨烯比較容易製得，但（dàn）大多數（shù）情況下，石墨烯的帶隙（xì）寬度幾乎為零或者非常小，不能用來製作半導體器（qì）件。在石墨烯中打開一個能帶隙，而不影響石墨烯的（de）其他出色性能，例如高電子遷移度，是目前（qián）的研發熱點。科學界已采用許（xǔ）多技術克服這一難（nán）題：已有科學家們通過石墨烯基底材料（liào）誘（yòu）發打（dǎ）開能帶隙（xì）；在h-BN 或（huò）h-BN/Ni（111）基底上打開0.5 eV 能帶隙；最新理論證明，可（kě）在沉積在氧終止的SiO2 表麵上的石墨烯中，打開一個～0.52 eV的能帶（dài）隙；科學家們已（yǐ）在生長在SiC 基底上的雙層石墨烯中打開（kāi）能（néng）帶隙（xì）；這裏不（bú）一一列（liè）舉（jǔ）。然（rán）而，所（suǒ）有這些技術目前都還處於初期，還需要進一步研發。很多具有前景的方法，都會增加石墨（mò）烯的缺陷。而且，到目前為止還不能達到大麵積的均勻摻雜。

根據歐盟（méng）石墨烯（xī）旗艦計劃研（yán）究團隊對石墨烯用於不同電子領（lǐng）域驅動力、當前石墨烯技術需要解決的（de）主要問題進行了分析（見表3）。

歐（ōu）盟對（duì）石墨烯技（jì）術的發展規劃（2014—2024 年）歐盟石墨烯旗艦計劃將石墨烯技（jì）術的發展分成3 個主要部分，分（fèn）別為材料製備、元件（jiàn）製備和最終（zhōng）的石墨烯集成於（yú）各類係統，製定了每個領域預期實現的目（mù）標，如圖3 所示（shì）。



五、小結

領先的（de）新技術行業研究（jiū）公司Innova Research（壹行研）近日（rì）公布了2017 年全球（qiú）石（shí）墨烯七大趨勢。報告認為2017 年，石墨烯的價格將（jiāng）大幅降（jiàng）低，石（shí）墨烯（xī）在中央（yāng）處理器和芯片等核心電子元件的應用研發將獲得進一步推動。石墨烯在電子方麵的應用日益普及，其中，石墨烯導（dǎo）電油墨（mò）和基於石墨烯的射（shè）頻標簽（RFID）在消費電子和（hé）其（qí）他電子產品市場嶄露頭角。



未來基於石墨烯的（de）電磁幹擾屏蔽/靜電保護（ EMI/ESD）元器件等技術也將（jiāng）會日（rì）益成熟。另外，石墨烯在中央處理器和芯片上的應（yīng）用受到眾多計算機（jī）和電子業巨（jù）頭的重點關注，其未來的研（yán）發過（guò）程將得到這些巨頭進一步的推動。



報告稱，2015 年石墨烯在電子行業的（de）應用占全球石墨烯（xī）市場收入35.9%，並預（yù）測到2020 年，石墨烯從電子行業取得（dé）的收入將超（chāo）過全（quán）球石墨烯（xī）市場收入份額的一半（bàn），達到51.3%。

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