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石墨烯有望续写摩尔定律的神奇之“碳”

作者:时间:2013-08-21来源:OFweek电子工程网

  从戈登·摩尔提出“”到现在已经过去了差不多半个世纪,它见证了半导体工业的长足发展。但越来越多科学家认为“”将迎来物理极限大考。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/159144.htm

  那么,“硅时代”之后,挑起半导体工业的大梁又会是什么材料呢?,业界普遍认为最有前途的材料。也就是说,半导体工业将从“硅时代”进入“碳时代”。现在让我们来看看这神奇之“碳”!

  神奇之“碳”匪夷所思的

  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。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(quantumHalleffect),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。

  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TomasPalacios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。仅采用0.18nm工艺,就可以制造出100GHZ的处理器。

  当然,石墨烯并不仅仅在处理器领域展现其神奇之处,接下来我们来看看它在其它领域的应用。

  石墨烯超级电容器:能量密度高充放电速度快

  我们来看看下面这几条短讯,看石墨烯是如何在电池研究中大显身手的:

  据报道,澳大利亚科学家用石墨烯制造出了一种更致密的超级电容,其使用寿命可与传统电池相媲美,且能量密度为现有超级电容的12倍,可广泛应用于可再生能源存储、便携式电子设备以及电动汽车等领域。

  美国研究人员近日公布了他们研制的一种新型电池,这种电池能在几秒内给手机,甚至是汽车充满电。这种名叫微型石墨烯超级电容器的装置的充电或者是放电速度比常规电池快100倍到1000倍。这种利用单原子层碳制成的电池很容易生产,也很容易与电子产品结合到一起,甚至有可能促使更小的手机诞生。

  由于石墨烯的稳定和惰性结构,在不损害电气和结构属性的前提下直接在原始石墨烯表面上形成半导体纳米结构一直是一个挑战。美国麻省理工学院(MIT)研究人员采用了聚合物涂层来改变其性能,在表面覆盖一层氧化锌纳米线,然后覆盖一层光感材料(铅硫化物量子点),研发出一种基于涂覆一层纳米线的石墨烯薄片的新型太阳能电池。

  研究认为,基于石墨烯的电池与基于铟锡氧化物的电池在效率上具有可比性,总的转换效率是4.2%,这比普通硅基电池效率要低,但对专门应用领域仍具竞争力。这种电池可安装在窗户、屋顶或其他表面,具有成本低、透光性好、可以弯曲、质量轻、机械强度和化学鲁棒性强等优势。而且,这种电池完全可以在低于175℃下使用,而硅基太阳能电池则需要更高的温度。

  石墨烯图像传感器:光感提高1000倍

  新加坡南洋理工大学助理教授WangQijie和他的研究小组精心研制了一片石墨烯传感器。这一传感器能够检测广谱光,捕捉和持有光生成电子粒子的时间比大部分传感器更长,捕捉光线的能力比传统传感器强1000倍,且消能也低10倍;

  利用这类传感器还可以在光线较少的情况下捕获更清晰的照片。值得一提的是,这类传感器将比传统传感器(次级CMOS传感器和CCD传感器)便宜5倍。

  王教授表示:“研发这一传感器时,我们将当前的制作实践经验牢记于心。这意味着工业在原则上可以继续利用CMOS工艺(这也是大部分电子领域的工厂广泛使用的技术。)继续生产相机传感器,而制造商可以利用我们研发的纳米材料传感器轻而易举地取代现有基础材料。”

  这一新研发的传感器将有机会应用于红外拍摄、交通超速拍照、卫星地图等等许多相关设备。研究团队正致力于将其开发成为商业产品。我们也非常期待这一全新研发产品能更快造福人类。

  石墨烯触摸屏:取材方便、成本低、工艺简单、低碳环保

  石墨烯不仅被运用在半导体芯片、光子传感器、太阳能电池等领域,而且在柔性触摸屏方面上,石墨烯也有相当大的用途。

  日前,一种可以随意卷曲也不会影响使用效果的触摸屏在重庆研制成功。中科院重庆绿色智能技术研究院表示,他们已经实现了15英寸单层石墨烯的制备,并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上,制备出7英寸石墨烯触摸屏。该研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞表示,目前该技术在国内居于领先地位。

  据了解,触摸屏是目前最简单、自然的一种人机交互方式,赋予了多媒体崭新的面貌。透明电极作为触摸屏的核心组成部分,成为当前的重要研究领域之一。目前,市场上的主导产品采用的材料为氧化铟锡,不仅价格高,而且易碎。新兴的石墨烯触摸屏,具有原材料获取方便、制造成本低、制备工艺简单、低碳环保等优势,优异的柔韧性更使其具有强大的市场竞争力。

  史浩飞表示,广州、深圳等地的风投机构已对石墨烯产生了浓厚的兴趣,正在与中科院重庆研究院洽谈合作。研究人员也正积极进行产业化的设备改造,预计年内达到批量生产的能力。2015年后,市场上有望见到能够卷曲的触摸屏产品。

  石墨烯有毒?具有危险性但不致于影响其应用

  根据美国布朗大学(BrownUniversity)研究人员的研究发现,石墨烯可能会破坏活细胞功能。

  如果布朗大学的毒性研究结果进一步经过多方研究证实的话,石墨烯最终可能会像碳纳米管一样被归类在有害物质范围。石墨烯经常是由天然矿物──石墨制造而来,其方式是经由化学或机械剥离方式分离碳薄层,形成可能产生吸入暴露的干燥粉末。病理学家已经针对碳纳米管和其他有关的碳材料展开研究了,但是这是第一次针对2D纳米材料进行毒性测试。

  AgnesKane所主导的布朗大学研究团队在展开石墨烯的毒性研究后发现,就像碳纳米管一样,石墨烯的确会破坏活性细胞功能。为了找出其中的原因,Kane还邀请工程系教授高华健(HuajianGao)加入这一研究团队,以期为石墨烯材料与活性细胞的互动关系建立详细的电脑模拟图。

  该研究团队是在偶然间发现这样的结果,因为他们一开始模拟石墨烯与活细胞间互动关系所显示的结果是良性的。然而,Kane的生物小组经由过去的毒性实验结果已经知道石墨碎片事实上会干扰到活细胞的正常功能。后来才发现,原来第一代模拟过于简单,将石墨烯碎片建模为正方形,而现实世界中的石墨碎片边缘锋利边角尖锐,可穿透细胞壁并吸附其余的碎片。经过高华健教授修改模拟后成功为Kane的毒性实验重新进行建模。

  石墨烯(G)碎片边缘尖锐,易穿透细胞薄膜

  经过修正模拟后发现了石墨烯将干扰细胞正常功能的机制,布朗大学病理学和实验室医学教授AnnettevondemBussche就能透过显示细胞受干扰的详细影像,重覆进行毒性实验。后续的研究将针对人类的肺、皮肤与免疫细胞在培养皿中进行实验,以确定石墨烯薄层是否会穿透活性细胞并且被吞噬。

  所有令人感兴趣的纳米材料都具有独特的性能,因此,尽管宣称具有危险性但也不致于影响其材料应用,而且也有许多有毒的材料仍成功地用于半导体制造中,例如铅、汞与镉等。事实上,布朗大学的研究人员们还针对多种纳米材料进行毒性研究,以期作为开发更安全制造与处理方法的先决条件,以便在整个生命周期都能善加利用。

  “纳米材料最佳之处在于你可为其进行建构,使其具有所需的特定性能。”Kanes说,“因此,我们可以透过计算建模的方式,为这些材料进行修改,使其毒性降低。”

  “联姻”硅基技术石墨烯形有望成万亿产值

  石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体,只有一层碳原子的厚度,是迄今最薄也最坚硬的材料,其导电、导热性能超强,远远超过硅和其他传统的半导体材料。科学家们认为,石墨烯有望彻底变革材料科学领域,未来或能取代硅成为电子元件材料,广泛应用于超级计算机、柔性触摸屏、环保和医疗设备、光子传感器以及有机太阳能电池等诸多领域。

  但石墨烯征服硅谷之路面临的主要障碍是成功地将石墨烯整合到成熟的金属—硅化物技术内。现在,来自维也纳大学、德国和俄罗斯的研究人员成功地构建出一种新奇且高质量的处于一层石墨烯保护和覆盖下的金属硅化物结构。

  为了揭示这一新结构的基本属性,科学家们采用了基于爱因斯坦发现的光电效应而研制的角分辨光电子能谱仪(ARPES)。当一个光粒子同一种材料相互作用时,它能将所有能量传递给材料内的一个电子。如果光粒子的能量足够大,电子获取的能量就足以让它从物质中逃逸。ARPES使科学家们能通过确定电子逃离物质的角度,提取这种材料的电子属性等相关信息。

  该研究的合作者、奥地利维也纳大学材料学研究所电子属性研究中心的亚历山大·格鲁雷斯和尼克雷·沃比提斯基表示:“单原子厚度的石墨烯层以及由其制成的混合材料使我们能借用ARPES研究很多新奇的电子现象。”

  借用ARPES,科学家们发现,这种石墨烯覆盖的硅化物不会被氧化,所以,其可以用于很多电子材料和设备中。最重要的是,石墨烯层几乎不同其覆盖的硅化物发生反应,这就让其属性得以保存完好。这种石墨烯-硅化物有望广泛应用于半导体、自旋电子、光伏以及热电设备中。

  石墨烯产业有望形成万亿产值

  石墨烯,2004年首次从石墨中分离得出,是目前世界上已知的最薄的材料,几乎完全透明,具有良好的导热、导电性能。

  为推动石墨烯产业化,中国石墨烯产业技术创新战略联盟日前在京成立。该联盟由清华大学、中科院金属研究所、北京现代华清材料科技发展中心等核心单位发起,联合国内从事石墨烯研发、产业化的22家法人机构。联盟成员包括6所高校、4家中科院研究所、17家企业,基本囊括了国内石墨烯研发及产业化的主流单位。

  作为一种新型的纳米材料,石墨烯以其独特的结构、力学和电子性质,在药物投递、肿瘤治疗等生物纳米技术领域有着广泛的应用前景。它是目前人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。

  分析认为,首先,石墨烯如果取代硅,有望让计算机处理器的运行速度快数百倍。其次,石墨烯有望引发触摸屏和显示器产品的革命,制造出可折叠、伸缩的显示器件。再其次,石墨烯可以推动超级电容器发展,使得同等体积的电容扩充5倍以上的容量。此外,石墨烯加入锂电池电极中能够大幅提高导电性能。石墨烯因其超出钢铁数十倍的强度,也有望被用于制造纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣和“太空电梯”的缆线,在这些领域将引发革命性的突破。

  作为一种技术含量极高的碳材料,石墨烯在半导体、光伏、锂电池、航天、军工、LED、触控屏等领域都将带来一次材料革命。由于售价高昂,石墨烯目前尚未产业化。有分析认为,作为一种理想的替代型材料,石墨烯一旦实现产业化其产值至少在万亿以上。

  石墨烯的应用价值日益突显,随着半导制造工艺的快速发展,硅材料的就用必会达到其物理极限,到那时,石墨烯或将成为“”续写者。如今,石墨烯的研究已经引起了人们广泛的关注,它所孕育的巨大商业价值已经逐步显现,或许用不了多久,“碳时代”就会到来。

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关键词: 石墨烯 摩尔定律

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