石墨烯在電子領(lǐng)域的未來之路有多寬？

　　石墨烯具有許多創(chuàng)紀錄的出色性能，被譽為21世紀新材料。這使石墨烯的應(yīng)用涉及廣泛領(lǐng)域，但在眾多應(yīng)用中，石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用尤其值得關(guān)注。

　　根據(jù)2016 年年底美國的市場調(diào)研公司Grand ViewResearch 按產(chǎn)品、應(yīng)用、地域和細分市場劃分，發(fā)布的《2014—2025 年石墨烯市場規(guī)模和趨勢的預(yù)測報告》，電子行業(yè)是石墨烯最受歡迎的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　據(jù)統(tǒng)計，2015 年，電子行業(yè)是石墨烯最大的應(yīng)用市場，在石墨烯的各類應(yīng)用市場中占據(jù)40%的份額，這歸結(jié)于消費電子不斷增長的需求，尤其是智能手機、平板電腦，已成為電子應(yīng)用細分市場發(fā)展最大驅(qū)動力。本文將分析石墨烯性能優(yōu)勢、全球石墨烯專利分布現(xiàn)狀、世界電子行業(yè)巨頭在石墨烯電子領(lǐng)域的研發(fā)狀況，揭示了石墨烯在電子應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?jié)撃堋?dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，以及歐盟對石墨烯電子領(lǐng)域的發(fā)展預(yù)期。

　　一、石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

　　科學(xué)界已證實，一個原子厚度石墨烯的諸多獨特性能，已打破材料王國多項記錄。石墨烯是世界上已知硬度最高的材料，幾乎完全透明，具有高達5300W/m·K 的熱導(dǎo)系數(shù)和高達1.5×104 cm2/Vs 的電子遷移度和出色的機械強度;像塑料一樣透明但性能好于塑料;導(dǎo)電、導(dǎo)熱好于任何金屬;具有不可滲透性，可用做防滲膜;具有化學(xué)惰性和穩(wěn)定性。這使之成為新一代透明導(dǎo)體的理想材料。

　　由于用于氧化銦錫(ITO)造價高昂，而且銦具有脆性，石墨烯成為可替代氧化銦錫理想材料，可用于顯示器和觸摸屏。將石墨烯電極用于顯示屏，有望帶來柔性、可折疊、摔不破的智能手機和其他可重塑形電子。

　　由于受到晶體管很難變得更加小型化的限制，目前用于集成電路的互補金屬氧化物(CMOS)技術(shù)正在快速達到其技術(shù)極限。由歐洲、日本、韓國、中國臺灣、美國等5個主要的芯片制造地區(qū)發(fā)起的國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)，已將石墨烯列為后硅電子可能的替代材料。

　　一個原子厚度的石墨烯有望最終帶來顛覆性的新一代柔性電子器件。因為基于塑料或紙張的電子器件成本更為低廉。利用石墨烯制備一些無源器件，例如，電阻器、電容器和天線等，以及制備二極管或簡單的場效應(yīng)晶體管，有望帶來可在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行的柔性電路。

　　利用石墨烯制成超薄、柔性電子有望進行模塊化集成，從而帶來超薄的移動器件。石墨烯超強承受機械應(yīng)變性能，將使得超薄移動器件可折疊、堅不可破。通過在集成電路系統(tǒng)中引入一些基于石墨烯的全新功能，即通過引入分布式傳感器、制動器和控制器等，有望帶來家庭自動化、環(huán)境控制和辦公室自動化，使得生活更加美好、健康、舒適，也將為老年人、一線工人提供足夠的設(shè)施和安全保障。

　　二、行業(yè)巨頭石墨烯電子領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀

　　一些世界知名的電子行業(yè)巨頭，紛紛加大石墨烯研發(fā)投入。2012 年，IBM 成功研制了世界首個由石墨烯圓片制成的集成電路。公司隨后啟動了新一代芯片技術(shù)研發(fā)計劃，投入30 億美元研發(fā)預(yù)算，利用石墨烯、碳納米管、量子計算、硅光子學(xué)等多項新技術(shù)，以期替代硅技術(shù)。截至2015 年3 月，IBM 在石墨烯領(lǐng)域的專利已超過200 項，并取得了多項技術(shù)突破。韓國三星電子也投入了巨大研發(fā)力量，保證了其在石墨烯應(yīng)用于柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。2014 年，三星先進技術(shù)研究院與韓國成均館大學(xué)聯(lián)合宣布，合成了一種能在更大尺度內(nèi)保持導(dǎo)電性的石墨烯晶體，可用于在柔性顯示屏和可穿戴設(shè)備上，截至目前，韓國三星在石墨烯方面的專利已達到500 余項。其他電子行業(yè)巨頭公司，例如蘋果、惠普、戴爾和英特爾等，也都在石墨烯電子應(yīng)用領(lǐng)域加大了研發(fā)投入，并進行了專利保護，具體如表1 所示。

　　三、石墨烯在電子領(lǐng)域應(yīng)用面臨問題

　　3.1 材料低成本宏量制備高質(zhì)量石墨烯的瓶頸

　　要實現(xiàn)石墨烯在電子領(lǐng)域的顛覆性應(yīng)用，首先要突破石墨烯的制備瓶頸。石墨烯特定工藝的適宜性取決于其具體應(yīng)用，例如，納米電子對材料有嚴苛的要求，即在單一晶體上的缺陷密度應(yīng)非常低;對于其他一些應(yīng)用，例如生物傳感器，則可能需要帶有缺陷的石墨烯;而印刷電子卻允許更低的質(zhì)量，即較低載流子遷移度的石墨烯。CVD 法正成為制備大面積石墨烯薄膜的理想方法，但需要解決的問題還很多，還需進一步提高材料的電子和光學(xué)性能，包括：機械形變、穩(wěn)定的摻雜，以及開發(fā)成本更低、更為可靠的轉(zhuǎn)移技術(shù)。

　　歐盟石墨烯旗艦計劃研究團隊已對截至2014 年8 月最先進的石墨烯制備方法及其可預(yù)見的應(yīng)用匯總，具體如表2 所示。

　　3.2 在石墨烯中打開所需的能帶隙技術(shù)仍處于初期

　　目前，缺陷較少、結(jié)構(gòu)完整的石墨烯比較容易制得，但大多數(shù)情況下，石墨烯的帶隙寬度幾乎為零或者非常小，不能用來制作半導(dǎo)體器件。在石墨烯中打開一個能帶隙，而不影響石墨烯的其他出色性能，例如高電子遷移度，是目前的研發(fā)熱點。科學(xué)界已采用許多技術(shù)克服這一難題：已有科學(xué)家們通過石墨烯基底材料誘發(fā)打開能帶隙;在h-BN 或h-BN/Ni(111)基底上打開0.5 eV 能帶隙;最新理論證明，可在沉積在氧終止的SiO2 表面上的石墨烯中，打開一個～0.52 eV的能帶隙;科學(xué)家們已在生長在SiC 基底上的雙層石墨烯中打開能帶隙;這里不一一列舉。然而，所有這些技術(shù)目前都還處于初期，還需要進一步研發(fā)。很多具有前景的方法，都會增加石墨烯的缺陷。而且，到目前為止還不能達到大面積的均勻摻雜。

　　根據(jù)歐盟石墨烯旗艦計劃研究團隊對石墨烯用于不同電子領(lǐng)域驅(qū)動力、當(dāng)前石墨烯技術(shù)需要解決的主要問題進行了分析(見表3)。

　　四、歐盟對石墨烯電子領(lǐng)域應(yīng)用預(yù)期

　　歐盟對實現(xiàn)各類電子應(yīng)用預(yù)期的時間圖2 為功能器件原型產(chǎn)品有望實現(xiàn)的預(yù)計時間。

　　歐盟對石墨烯技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃(2014—2024 年)歐盟石墨烯旗艦計劃將石墨烯技術(shù)的發(fā)展分成3 個主要部分，分別為材料制備、元件制備和最終的石墨烯集成于各類系統(tǒng)，制定了每個領(lǐng)域預(yù)期實現(xiàn)的目標(biāo)，如圖3 所示。

　　五、小結(jié)

　　領(lǐng)先的新技術(shù)行業(yè)研究公司Innova Research(壹行研)近日公布了2017 年全球石墨烯七大趨勢。報告認為2017 年，石墨烯的價格將大幅降低，石墨烯在中央處理器和芯片等核心電子元件的應(yīng)用研發(fā)將獲得進一步推動。石墨烯在電子方面的應(yīng)用日益普及，其中，石墨烯導(dǎo)電油墨和基于石墨烯的射頻標(biāo)簽(RFID)在消費電子和其他電子產(chǎn)品市場嶄露頭角。

　　未來基于石墨烯的電磁干擾屏蔽/靜電保護( EMI/ESD)元器件等技術(shù)也將會日益成熟。另外，石墨烯在中央處理器和芯片上的應(yīng)用受到眾多計算機和電子業(yè)巨頭的重點關(guān)注，其未來的研發(fā)過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(yè)的應(yīng)用占全球石墨烯市場收入35.9%，并預(yù)測到2020 年，石墨烯從電子行業(yè)取得的收入將超過全球石墨烯市場收入份額的一半，達到51.3%。

　　資料來源：《石墨烯電子應(yīng)用的發(fā)展與挑戰(zhàn)》，作者：高巖，蘇東艷(常州市科技信息中心)