浅析石墨烯产业给半导体产业带来的巨变---说说石墨烯的那些事儿

作者 张国斌

7月12日,2013国际触摸屏技术发展论坛在广东惠州召开,显示屏和材料领域领先企业如友达光电、信利、达美新材料、3M、二维碳素科技负责人介绍了触摸屏领域的新技术,其中,二维碳素科技总裁金虎关于石墨烯产业化的介绍让与会者看到了石墨烯为半导体领域将带来的巨变。

金虎表示石墨烯(graphene)是一种违反了我们已知物理定律的二维神奇材料,它有许多神奇的至今无法解释的特性。

一、 撕胶带大法发现石墨烯

1930年以来的物理理论都认为二维结构会在原子力的作用下塌缩成一个点,因此二维材料只存在于理论上,例如著名俄国物理学家朗道 (Lev Landau) 等人就已证明, 二维材料的热运动涨落会破坏自身的结构。 实验上制备石墨烯的种种失败尝试似乎也在佐证着这一结论, 比如石墨层越薄, 就越容易卷曲成球状或柱状, 而无法维持平面结构。 因此, 制备石墨烯曾被很多人认为是注定无法成功的。

但是,英国的两,位物理学家盖姆(Andre Geim)和诺奥肖洛夫(Konstantin Novoselov)不信这个邪,他们用类似撕胶带的机械方式从石墨中分离出石墨烯,他们采用了所谓的 “透明胶大法” (Scotch tape technique), 即用透明胶粘住石墨层的两个面, 然后撕开, 使之分为两片。 通过不断重复这一 “大法”, 并辅以其它手段, 他们最终制备出了石墨烯。凭借这个,两位物理学家获得了2010年诺贝尔物理学奖。(这也太搞了,看来搞高科技并不一定要大投入,搞点胶带就可以了:))其实,真实情况没这么简单,两位科学家的研究前后持续了一年多的时间, 制备出的石墨烯则只有几平方微米, 要用高倍显微镜才能观测。

这就是显微镜下的是石墨烯

这就是显微镜下的是石墨烯

石墨烯晶体结构

石墨烯晶体结构

石墨烯是一种由碳原子以蜂巢结构组成的六角形平面薄膜,它只有一个碳原子厚度,所以它是一种二维结构的材料。

二、 石墨烯的神奇特性

物理学家们发现石墨烯中的电子运动具有很奇特的性质,它其中的电子只有波动性没有粒子性,也就是说电子的质量仿佛是不存在的,这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究所谓相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动, 从而必须用相对论量子力学来描述。 而更奇妙的是,那种相对论量子力学中的 “光速” 并不是真空中的光速,而只有后者的 1/300。

石墨烯还具有所谓的量子霍耳效应 (quantum Hall effect), 这种本身就是诺贝尔奖量级的重要效应以往是要在极低温下才能显现的, 石墨烯却能将它带到室温下。 诺沃肖洛夫在接受媒体采访时曾经表示, 要让物理学家们改变自己的研究方向, 必须用比他们所研究的有趣十倍的东西来引诱。 石墨烯对很多理论物理学家来说无疑就具有那样的魅力, 因而吸引了众多的追随者。

金虎说,石墨烯有很多匪夷所思的特性,至今连科学家也解释不了。例如,它有生物兼容性,植入生物体后不会有排异反应,这样给很多现代诊疗带来福音,还有,它在抗癌上也很神奇,在石墨烯上癌细胞难以成活但是正常细胞可以存活。


石墨烯的电阻率低,比铜和银还低,而它的电子迁移率很高,用它做晶体管材料,可以大大提升处理器的时钟主频,麻省理工学院电子工程和计算机科学系副教授Tomas Palacios曾表示,在现有技术条件下,产生4、5GHz以上的频率难度都相当高。而石墨烯倍频器可以让系统运行在500GHz到1000GHz的范畴内。金虎也表示仅采用0.18nm工艺,就可以制造出100GHZ的处理器。

石墨烯是机械强度最高的纳米材料,有人设想用它可以制造太空天梯,就是谷歌的一个X计划。

此外,石墨烯还可以在电池、超级电容器、太阳能灯方面发挥作用。

有香港的两位科学家发现,把石墨烯电极放在水中,就可以产生电流!这有点太匪夷所思,这不是永动机吗?

金虎介绍说目前石墨烯材料可以分为两类,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。石墨烯薄膜又细分为单晶薄膜和多晶薄膜,其中,单晶薄膜可用于制造集成电路,但距离产业化的距离还很遥远。多晶薄膜则有望在5~10年内实现产业化应用,可替代ITO玻璃用于制造触摸屏(特别是柔性电子产品)和其他需要透明导电材料的应用领域。

目前,在石墨烯薄膜和石墨烯微片这两个方向上,我国都在进行积极探索。2012年1月8日,江南石墨烯研究院对外宣称,手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。这种透明的薄膜可以满足智能手机触摸屏的基本功能。

金虎表示石墨烯用于触摸屏比ITO玻璃有很多优势,例如ITO要用到铟,这是一种稀土材料,全球存量很少,而且有毒不易回收,而石墨烯材料很简单,也容易回收,更突出的是它的柔性很好,易于弯曲。


目前在这个领域研究的国家有英美韩中国日本等,已经产业化的公司有四家,分别是韩国三星、日本索尼、辉锐和二维碳素。各产业化的工艺和产能如下图所示。


常州二维碳素科技有限公司的于庆凯博士在2008年4月首先发表了用化学气相沉积(CVD)的方法在镍和铜基底上合成石墨烯的生长方法,并成功生长出了世界上第一块大尺寸的高质量石墨烯薄膜,从而使得大规模生产石墨烯薄膜成为可能。2010年,于博士提出并实现了用生长单晶石墨烯阵列来解决大尺寸石墨烯单晶难以合成的难题。这一成就将推进石墨烯高速电子器件的研究和应用。

诺沃肖洛夫曾经表示要让物理学家们改变自己的研究方向, 必须用比他们所研究的有趣十倍的东西来引诱。 石墨烯对很多理论物理学家来说无疑就具有那样的魅力, 因而吸引了众多的追随者。现在,这个神奇的材料已经面临产业化,它将给我们的生活带来什么巨变?开动你的想想吧!