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国家为何如此重视石墨烯?

时间:2016-01-04 编辑:robin 阅读:2 次

 不久前,工信部、发改委和科技部等三部委日前发布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,欲在2020年形成完善的石墨烯产业体系,实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化,在多领域实现规模化应用。为何三部委对石墨烯产业如此重视呢?

石墨烯是由碳原子组成的单层石墨——最早的石墨烯就是用胶带一层一层地把石墨变薄而获得的,是只有一个碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的导热性、电导性、透光性,而且具有高强度、超轻薄、超大比表面积等特性,因而被誉为“超级材料”。

(石墨烯非常轻)

石墨烯的用途非常广泛,可以被应用于锂离子电池电极材料、薄膜晶体管、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏等方面。

石墨烯是替代硅的理想材料

相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能,通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴,而且随着Intel在IPC上已经遭遇紧瓶,相信全球其他IC设计公司在各自的微结构达到Haswell水平后,IPC很有可能也会相继撞墙。因此,提升主频已经是成为了提升CPU性能的不二之选。

硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。

但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯的载流子迁移率在室温下可达硅的10倍以上,在实验室环境下最高可达100倍,饱和速度是硅的5倍,电子运动速度达到了光速的1/300。同时具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。

(IBM的石墨烯圆晶/芯片)

因此,采用石墨烯材料的芯片具有极高的工作频率和极小的尺寸,而且石墨烯芯片制造可与硅工艺兼容,是硅的理想替代材料——在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随着技术发展,进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还拥有更低的功耗。

石墨烯材料制备

石墨烯材料可分为两类:一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜;另一类是由多层石墨烯(10层以下)构成的微片。

目前石墨烯制造方法多达几十种——物理方法主要有机械剥离法、取向附生法和加热SiC外延生长法;化学方法主要有电弧放电法、化学剥离法、氧化还原法和化学气相沉积(CVD)法。各种制备方法获得的石墨烯材料应用领域有所不同,比如采用电弧放电发制取的石墨烯更适合作为超级电容器的电极材料,而可用于制造集成电路的石墨烯材料的制备方法是加热SiC外延生长法和CVD法。

  • 加热SiC法

加热SiC法是在SiC晶圆的Si面或C面上,通过加热使Si原子蒸发掉而在SiC上形成石墨烯层。该方法制作的石墨烯材料层数可控,面积较大,具有较高的载流子迁移率,能够研制出高性能的射频芯片。但目前受SiC晶圆尺寸的限制,这种技术最多只能生长出4英寸晶圆级石墨烯,尺寸虽无法与现代芯片所需的12英寸Si材料相比,但是晶圆质量与Si晶圆相当甚至更好。2015年,北京大学采用氢辅助法在4H-SiC表面外延生长出高质量石墨烯,其中氢充当了碳刻蚀剂的作用,产生的石墨烯层面积更大,厚度更均匀。

  • 化学气相沉积(CVD)法

CVD法是以铜和镍等金属材料作为衬底来生长具有原子级厚度的石墨烯材料。

这种方法获得的石墨烯材料的面积大、导电性高、透光性好和成本低,而且CVD法制作石墨烯器件的工艺与硅工艺非常兼容,是纳米半导体器件的主要发展方向。2013年,中国航空工业集团公司北京航空材料研究院宣布已在铜箔表面制备出12英寸以上的石墨烯薄膜,大尺寸、高质量的石墨烯薄膜制备技术也已突破。

石墨烯材料应用前景

因石墨烯具有的较高的载流子迁移率、极高的载流子速度、优异的等比缩小和有限的散射等特性,是电子器件和集成电路的首选材料。在射频领域,已研制出性能极高的零带隙大面积石墨烯MOSFET、双层石墨烯FET等产品;在石墨烯数字逻辑方面,已出现了双层石墨烯晶体管、纳米带晶体管和隧穿FET及相关电路。

在光纤通信方面,因石墨烯中的电子在迁移时,不会因为晶格缺陷或引入外来原子而发生散射,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯内部受到的干扰也非常小。若将传统的信号传输铜缆替换为石墨烯,不仅传输线缆的重量降低,强度增大,信道降噪抗干扰能力也会得到极大地提升。虽然光纤传输速度快,效率也高,但是数据传输过程中,光电转换比较麻烦。如果用石墨烯替代光纤应用于有线传输,不仅能保障传输速度和质量,还能免除广电转换过程,进而省去了一大堆光电转换设备及研究、制造经费。

在传感器制造方面,因石墨烯仅吸收2.3%的光,并使所有光谱的光均匀地通过,具有非常好的透光性,可以用于传感器的制作。据新加坡一个科研团队展示的科研成果,石墨烯感光元件的性能比传统传感器强1000倍——在昏暗的光线环境中, 这类传感器依然能够捕捉到较为清晰的物体影像。

(石墨烯传感器)

在屏幕制造方面,因具有轻、薄、几乎完全透光、强度大、柔韧性好等特点,石墨烯是最有潜力替代氧化铟锡的材料。采用石墨烯技术的屏幕和现在的手机屏幕相比,不仅更薄、透光性更好,而且还具有更好的韧性,更不容易破损,甚至还能做成能够卷起的柔性屏幕。石墨烯屏幕能比现在用的屏幕拥有更好的用户体验。

(石墨烯屏幕)

在锂电池上采用石墨烯材料电极,能有效提升电池的提升电池倍率充放电性能、循环寿命和能量密度,具体请参照 《华为Mate8的石墨烯电池是怎么回事》 。

石墨烯材料对5G通信的意义

相对于上述用途,在无线通信领域石墨烯芯片的大规模应用很有可能会先行一步。

目前主流的4G系统基站虽然已经采用了负责基带处理的BBU+负责射频的RRU通过光纤拉远的架构,但由于机房站址资源日益稀缺和高成本,将BBU集中设置以节省机房的需求越来越强烈,同时也要求对基带资源共享、集中调度等功能的实现。

由于基带信号对带宽和各项处理资源的消耗很大,现有芯片和背板处理速度根本无法实现更大规模的基带资源集中调度和共享,同时在散热、功耗等方面也面临很大挑战。

若采用石墨烯材料,不但芯片处理能力、数据交换速率能得到大幅提升,石墨烯良好的导热、导电和耐温特性也使得在散热、功耗方面的要求降低,进而实现处理能力达到上万载频的集中式基带资源池。未来无线通信技术无疑以满足高速数据业务为主,而传统的宏蜂窝技术已经无法满足应用,必然走向宏微结合的异构网络架构,引入大量smellcell网元以满足室内以及热点场景的覆盖和容量需求。

但随着这些网元的引入,改变了原有宏站的网络拓扑结构,产生大量新的干扰场景,必须通过引入各种站间、宏微协同等技术予以消除。

比如采用协同多点传送和接收技术,但会带来各种协同算法加载后的大量复杂计算对资源的消耗,而基于石墨烯材料的基带芯片大量应用,其强悍的运算能力将使这些原本需要海量运算能力的技术和算法具有可操作性。

5G通信的特性就是“万物互联”,具有热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠等特点——在人口密集区为用户提供1Gbps用户体验速率和10Gbps峰值速率;具备超千亿网络连接的支持能力,满足100万/km2连接数密度指标要求;在车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求,为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

因此,大规模天线阵列、超密集组网、新型多址技术和全频谱接入等技术就成为5G无线技术的发展方向,而这些技术很有可能需要倚重石墨烯材料的广泛应用。相信这也是任正非在数次讲话中无比重视石墨烯技术,华为不远千里和曼切斯特大学合作开发石墨烯技术的原因。