神奇材料-石墨烯

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1、“神奇材料”石墨烯（一）：進入實用化競爭階段，應用例不斷出現(xiàn)2010年的諾貝爾物理學獎由成功分離石墨烯的研究人員獲得。石墨烯具備很多超越單層石墨的特殊性質。旨在應用石墨烯的研發(fā)機會也在全球范圍內急劇增加。石墨烯或將成為可實現(xiàn)高速晶體管、高靈敏度傳感器、激光器、觸摸面板、蓄電池及高效太陽能電池等多種新一代器件的核心材料。（照片：（a）LBNL，（b）富士通，（c）產(chǎn)綜研，（d，e）曼徹斯特大學）“神仙創(chuàng)造的材料”。日本企業(yè)的一名技術人員如此形容單層石墨碳材料“石墨烯”。這是因為石墨烯在很多方面具備超越現(xiàn)有材料的特性（圖1）。石墨烯的出現(xiàn)，有望從構造材料到用于電子器件的

2、功能性材料等廣泛領域引發(fā)材料革命。圖1：“神奇材料”石墨烯的特點石墨烯所具備的“最強性質”（a），以及其他材料所不具備的“獨特性質”（b）。能夠承載汽車的吊床單層石墨烯的厚度非常薄，只有一個碳原子厚，約為0.34nm。但強度卻與金剛石相當，非常堅硬。瑞典皇家科學院（RoyalSwedishAcademyofSciences）在發(fā)表2010年物理學獎時曾這樣比喻其強度，“利用單層石墨烯制作的吊床可以承載一只4kg的兔子”。還有估算顯示，如果重疊石墨烯薄片，使其厚度與食品保鮮膜相同的話，便可承載2噸重的汽車。石墨烯用作電子器件材料會帶來更大效果。單層石墨烯中的電子與空穴

3、（Hole）載流子遷移率有望在室溫下最大達到硅（Si）的100倍即20萬cm2/Vs。這一數(shù)值遠遠超過以往被認為載流子遷移率最大為7.7萬cm2/Vs的銻化銦（InSb）。而石墨烯室溫下的電阻值卻只有銅（Cu）的2/3。人們還發(fā)現(xiàn)，石墨烯可耐受1億～2億A/cm2的電流密度，這是銅耐受量的100倍左右。載流子遷移速度很快，可達到光的1/300。傳熱率與金剛石相當，再加上其薄片形狀，所以石墨烯作為劃時代的散熱材料備受期待。有望實現(xiàn)超高速FET及激光器許多研究機構及廠商已開始以具備多項穿透特性的單層石墨烯為對象，研發(fā)新一代器件的實用化（圖2）。主要開發(fā)對象之一是利用石墨

4、烯的高載流子遷移率及高遷移速度制作的THz頻率的晶體管。理論上估計其工作頻率可達到10THz。圖2：應用領域從原子尺寸擴大到宇宙石墨烯的用途分為特殊尺寸用途，電子器件用途及構造體用途。部分用途與CNT重疊。美國IBM與韓國三星尖端技術研究所（SAIT）分別在2010年12月舉行的半導體制造技術相關國際會議“2010IEEEInternationalElectronDevicesMeeting（IEDM2010）”上發(fā)布了通道層使用石墨烯的高速動作型RF電路用FET（電場效應晶體管）。IBM的石墨烯FET的最大截止頻率高達240GHz。另外，美國加州大學洛杉磯分校（U

5、CLA）已于2010年9月發(fā)布截止頻率達到300GHz的石墨烯FET。要超越截止頻率達到600GHz以上的化合物半導體HEMT（高電子遷移率晶體管），兩公司發(fā)布的石墨烯FET的性能還無法充分滿足要求。不過，IBM的石墨烯FET的截止頻率提高得很快，2008年12月只有26GHz，2009年6月達到50GHz，2010年2月提高至100GHz，此次則達到了240GHz。在不久的將來，石墨烯FET的性能很可能會達到甚至超過HEMT的同等水平。石墨烯還能用來制造激光元件。日本東北大學電氣通信研究所教授尾辻泰一的研究小組，目前正以利用石墨烯開發(fā)超高輸出功率的超短脈沖激光元件

6、為目標推進相關研究。據(jù)該大學介紹，其關注點是，石墨烯采用電子與正孔對稱的能帶構造，而且具備容易實現(xiàn)較大載流子密度的性質。優(yōu)先推進微細化不過，目前已實用化的絕大部分石墨烯FET為放大器及高靈敏度氣體傳感器元件等RF電路用FET。邏輯電路用FET尚未面世。這是因為單層石墨烯沒有帶隙（BandGap）。沒有帶隙的話，就無法充分實現(xiàn)邏輯電路必須的晶體管“關斷（SwitchOff）”功能。但最近解決這一問題的線索開始浮出水面。日本物質材料研究機構國際納米結構研究基地主任研究員塚越一仁，為了將石墨烯FET用作邏輯電路，目前正在研究打開帶隙的條件。塚越表示，“如果硅也能進一步微細

7、化，那么通道層最終會實現(xiàn)單個原子的厚度。盡管還不清楚是什么原子，但原子薄片——石墨烯的研究成果屆時會成為重要的參考依據(jù)”。觸摸面板試制品不斷面世除了高速高靈敏度器件之外，透明導電膜也是最接近實用化的的應用例。設想作為目前普遍使用的ITO的替代材料，用于觸摸面板、柔性液晶面板、太陽能電池及有機EL照明等。試制品也接二連三地面世。透明導電膜這一用途備受期待的原因在于，石墨烯具備較高的載流子遷移率且厚度較薄。一般來說，高透明性與高導電性是互為相反的性質。從這一點來看，ITO正好處在透明性與導電性微妙的此消彼長（Trade-off）關系的邊緣線上（圖3）。這也是超越IT