完美世界辰东,玄幻小说完本,耳根

2016年，全球半導體銷售額達到最高，為3390億美元。與此同時，半導體產業在芯片上的投入約為72億美元，作為微電子元件的基板，這些芯片可以用來制作晶體管、發光半導體和其他電子元器件。

在半導體銷售額不斷增長的今天，如何能夠更好的減少的隨之而來的在半導體芯片方面的投入是未來不得不面對的問題。目前很多廠商和研究機構都在尋找新的方法。

近日，由麻省理工學院的工程師研制的一種新技術，可以大大減少晶圓技術的投入，與傳統的半導體工藝相比，這種技術能夠使設備更加多元化和更高的性能。

在《自然》雜志上公布的這項新技術使用的是石墨烯材料——單原子層石墨——就如同復制機器一般能夠將底層的材料性能復制到頂層。

什么是石墨烯材料

石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

自從石墨烯在2003年被發現以來，研究者發現它具有優異的強度、導熱性和導電性。最后一種性質使得這種材料非常適合用來制作電路中的微小接觸點，但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。

要做到這點，石墨烯不僅需要充當導體，也要有半導體的功能，這是電子元件需要進行的通斷切換操作的關鍵。半導體由其帶隙所定義的，帶隙指的是激發一個電子，讓它從不能導電的價帶躍遷到可以導電的導帶所需要的能量。帶隙必須足夠大，這樣來使得晶體管開和關之間的狀態才對比明顯，這樣它才能準確無誤地處理信息。

常規的石墨烯是沒有帶隙的——它特殊的波紋狀價帶和導帶實際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。盡管如此，科學家們試圖分開這兩個帶。通過把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀，目前最高可以讓帶隙達到100meV，但這對電子工程應用來說還是太小了。

相對于通過前端設計提升微結構來提高芯片性能，通過后端設計來提升主頻顯然更加簡單粗暴，研發周期也更短(微結構研發一般要3年)，更適合商業推廣。

硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環境下實現的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。

但如果使用石墨烯材料，那么結果就可能不同了。因為相對于現在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下擁有10倍的高載流子遷移率，同時具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達155G。

因此，在前端設計水平相當的情況下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強幾十倍，隨著技術發展，進一步挖掘潛力，性能可能會是傳統硅基芯片的上百倍!同時還擁有更低的功耗。

石墨烯在半導體領域的應用

作為新興材料，石墨烯能廣泛應用于燃料電池、材料改性、防銹防滑、海水淡化、軍事工業等多個領域，這已經是業界共識。事實上，由于在已知材料中電阻率最小、導熱系數最高，所以石墨烯被認為是最理想的電極和半導體材料，其最佳、最具潛力的應用是成為“硅”的替代品，用來制造超微型晶體管，生產未來的超級計算機。

眾所周知，過去幾十年，硅幾乎是制造芯片的唯一選擇，以硅為材料的各類型芯片在制程工藝上快要達到了物理極限(7納米)，這極大的限制了各類計算芯片處理性能的提升。然而，科技永遠是在進步的，石墨烯的問世或許能有效的解決硅基材料的物理極限問題。那么，石墨烯在電極和半導體領域究竟能做哪些事情呢?

1、光電半導體產品。以其非常好的透光性、導電性和可彎曲性，在觸摸屏、可穿戴設備、OLED等領域中發揮作用。這也是目前公認最可能首先實現商業化的領域。

2、制造傳感器。石墨烯因其獨特的二維結構，且具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應時間短等特點，能提升傳感器的各項性能。隨著物聯網和和可穿戴技術的不斷發展，未來對傳感器的需求將會越來越高，相信石墨烯能夠扮演不錯的角色。

3、微電子器件。由于物理極限的限制，石墨烯在未來的晶圓、計算芯片以及各類型的微電子器件中都能擔當大任，并發揮其獨特的性能。

舉例來說，目前主流的4G系統基站雖然已經采用了負責基帶處理的BBU+負責射頻的RRU通過光纖拉遠的架構，但由于機房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設置以節省機房的需求越來越強烈，同時也要求對基帶資源共享、集中調度等功能的實現。

由于基帶信號對帶寬和各項處理資源的消耗很大，現有芯片和背板處理速度根本無法實現更大規模的基帶資源集中調度和共享，同時在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰。

若采用石墨烯材料，不但芯片處理能力、數據交換速率能得到大幅提升，石墨烯良好的導熱、導電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低，進而實現處理能力達到上萬載頻的集中式基帶資源池。

目前，不少研究機構和企業已經開始將石墨烯技術應用到半導體領域了。諸如，新加坡南洋理工大學開發的敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器;美國哥倫比亞大學研發出的石墨烯-硅光電混合芯片;IBM研究人員開發出的石墨烯場效應晶體管等等，都為石墨烯在半導體領域的應用指明了方向。

在《自然》雜志上公布的這項新技術使用的是石墨烯材料——單原子層石墨——就如同復制機器一般能夠將底層的材料性能復制到頂層。

什么是石墨烯材料

石墨烯在半導體領域的應用

3、微電子器件。由于物理極限的限制，石墨烯在未來的晶圓、計算芯片以及各類型的微電子器件中都能擔當大任，并發揮其獨特的性能。

難以預估的未來

石墨烯的剝離技術也可能在未來改變柔性電子元器件的發展進程。一般來說，晶圓都是非常堅硬的，與這些晶圓整合在一起的設備也是同樣的難以任意彎曲。Kim表示，使用這一技術，像太陽能和LED這樣的半導體設備在未來都可能任意彎曲和扭轉。

眾所周知，三星已經開始了可彎曲、可折疊智能手機的設計工作，像 LG 甚至是國產 OPPO 也都已經開始探索柔性顯示屏。三星目前呼聲最高，被認為 2019 年就能夠發布折疊手機，該機型將會是 Galaxy X 系列，主要得益于自家技術的柔性 OLED 顯示屏幕。

事實上并非如此，一款真正可彎曲或可折疊的智能手機，除了柔性屏幕之外還有很多技術問題需要解決，尤其是內部組件，包括電池、電路和嵌入到主板上的各種元器件等等，這些東西也都要實現柔性可彎曲才算得上真正靈活多變。雖然從技術角度上來說，實現柔性內部組件可能要等待很長一段時間，但確實已經有這方面的研發成果了。

事實上，該研究小組已經在麻省理工學院使用這一技術制造了一個柔性LED顯示屏，來演示這一技術的可行性。

“想象一下，如果你想在自己的汽車中安裝太陽能電池，但是現在的技術很難在汽車中安裝彎曲的太陽能電池，這一技術使得這成為了可能。”Kim表示。“未來這一技術可以在汽車上做涂層或者是整合到衣服中去。”

未來，研究人員技術用這一技術設計“母片”，然后在這些母片上制作各種材料。

利用石墨烯材料，研究團隊希望能夠制造出更多高性能的設備。目前，他們還在研究將這一技術應用到半導體設備和復合結構中去。

“現在，使用特殊的材料成為一種趨勢。”Kim表示，“以后，再也不需要擔心芯片的成本了。使用這一技術，在母片上生成半導體設備，然后剝離之后重新使用，極大的降低了成本。”

目前這一技術有麻省理工學院和LG電子研究中心合作的項目進行支持。

由于石墨烯在散熱、導電、透光等方面性能優良，并且韌性好、結構穩定，所以自發現以來得到了快速發展，其產業形態基本形成。有分析認為，到2020年全球石墨烯產業產值有望達到2.78億美元，這顯示其市場前景十分廣闊。

中國石墨烯制造處于世界領先地位

石墨烯在中國落地已六年有余，有關石墨烯的身份角色及應用場景的爭議從未停止過。

也許有人會說這么好的東西，那價格鐵定死貴啊，我等老百姓何時才能用上啊……

其實石墨烯一點也不貴，因為全球第一條和第二條真正實現規模化、低成本、高品質的石墨烯生產線就在中國!在2013年底，寧波墨西科技有限公司和重慶墨希科技有限公司先后建成年產300噸石墨烯生產線和年產100萬平米的生產能力的石墨烯薄膜生產線，并將石墨烯的制造成本從每克5000元降至每克3元。

2015年年初，浙大教授高超成功研發了一種新型、廉價、無毒的鐵系氧化劑，使石墨烯制備過程快、成本低、無污染，適用于工業化大規模制備。《自然—通訊》審稿人對該技術的評價是“該方法對石墨烯未來的進一步應用具有重要意義。”

在石墨烯的應用上，中國研究人員也已拿出了有分量的成果。中科院重慶綠色智能技術研究院成功制備出國內首片15英寸的單層石墨烯顯示屏，該項技術被應用于今年上市的一款名為“開拓者α”的手機，該手機在采用由中國科學院重慶綠色智能技術研究院和中國科學院寧波材料技術與工程研究所開發的石墨烯觸摸屏、電池和導熱膜等新材料后，手機觸控屏幕不偏色不泛黃，色彩真實、純凈，通透性也比傳統屏幕好，手機充電速率提高了40%，電池壽命延長了50%，電池的能量密度也增加10%。

石墨烯的發現者安德烈·海姆曾公開表示，中國石墨烯的產業化水平處于國際領先地位。

從專利申請數量這一指標來看，中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟的統計數據顯示，2015年中國石墨烯相關專利受理數量為7522件，居全球首位，美、韓緊隨其后。