石墨烯的应用

石墨烯的应用----或将开创电子工业革命“新时代”这一发现打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，更将全世界的目光吸引到这一具备高强度和优良导电性能的轻薄材料上，使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。根据半导体业著名的摩尔定律，《《《芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。但是硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽。受物理原理的制约，小于10纳米后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。》》》》提出该定律的摩尔本人也曾公开表示，10年之后摩尔定律将很难继续有效，因为采用目前的工艺和硅基半导体材料来延长摩尔定律寿命的发展道路已逐渐接近终点。然而，石墨烯的出现或将令摩尔定律得以延续，用它替代硅材料制造的晶体管也有望为研制新型超高速计算机芯片带来突破。目前，盖姆领导的小组除了已开发出了10纳米级可实际运行的石墨烯晶体管外，还在研制由单原子组成的晶体管。石墨烯的应用领域还不止限于芯片，从柔性电子产品到智能服装，从可折叠显示器到有机太阳能电池，超轻型飞机材料和防弹衣，甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。诺沃谢洛夫博士曾经指出，石墨烯是研究领域的“金矿”，在很长一段时间内，研究人员将会陆续“开采”出新的研究成果。一片碳，看似普通，厚度为单个原子，促使两位科学家赢得2010年度诺贝尔物理学奖。这种全新材料名为“石墨烯”。石墨烯不仅“最薄、最强”，作为电导体，它和铜有着一样出色的导电性；作为热导体，它比目前任何其他材料的导热效果都好。利用石墨烯，科学家能够研发一系列具有特殊性质的新材料。比如，石墨烯晶体管的传输速度远远超过目前的硅晶体管，因此有希望应用于全新超级计算机的研发；石墨烯还可以用于制造触摸屏、发光板，甚至太阳能电池。如果和其他材料混合，石墨烯还可用于制造更耐热、更结实的电导体，从而使新材料更薄、更轻、更富有弹性，因此其应用前景十分广阔。石墨烯晶体管世界上最小的晶体管硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽。受物理原理的制约，小于10纳米后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。然而英国科学家发明的新型晶体管将延长摩尔定律的寿命。该晶体管有望为研制新型超高速计算机芯片带来突破。值得一提的是世界最小晶体管的主要研制者也是于2004年开发出石墨烯的人，他们就是英国曼切斯特大学物理和天文学系的安德烈·K·海姆（AndreGeim）教授和科斯佳·诺沃谢洛夫（KostyaNovoselov）研究员。正是因为开发出了石墨烯，他们获得了2008年诺贝尔物理奖的提名。由上述两人率领的英国科学家开发出的世界最小晶体管仅1个原子厚10个原子宽，所采用的材料是由单原子层构成的石墨烯。石墨烯作为新型半导体材料，近年来获得科学界的广泛关注。英国科学家采用标准的晶体管工艺，首先在单层石墨膜上用电子束刻出沟道。然后在所余下的被称为“岛”的中心部分封入电子，形成量子点。石墨烯晶体管栅极部分的结构为10多纳米的量子点夹着几纳米的绝缘介质。这种量子点往往被称为“电荷岛”。由于施加电压后会改变该量子点的导电性，这样一来量子点如同于标准的场效应晶体管一样，可记忆晶体管的逻辑状态。另据报导，英国曼切斯特大学安德烈·海姆教授领导的科研团队，除了已开发出了10纳米级可实际运行的石墨烯晶体管外，他们尚未公布的最新研究成果还有，已研制出长宽均为1个分子的更小的石墨烯晶体管。该石墨烯晶体管实际上是由单原子组成的晶体管。神奇的半导体材料石墨烯开发者之一的曼切斯特大学诺沃谢洛夫博士指出，石墨烯是研究领域的“金矿”，在很长一段时间内，研究人员将会陆续“开采”出新的研究成果。那么石墨烯又为何物呢？[1]石墨烯（Graphene）是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体。换言之，它是单原子层的石墨晶体薄膜，其晶格是由碳原子构成的二维蜂窝结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，将其20万片薄膜叠加到一起，也只相当一根头发丝的厚度。该材料具有许多新奇的物理特性。石墨烯是一种零带隙半导体材料，具有远比硅高的载流子迁移率,并且从理论上说，它的电子迁移率和空穴迁移率两者相等，因此其n型场效应晶体管和p型场效应晶体管是对称的。还有，因为其具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级,所以它是一种性能优异的半导体材料。此外，石墨烯还可用于制造复合材料、电池/超级电容、储氢材料、场发射材料以及超灵敏传感器等。因此科研人员争先恐后地投入到如何制备和表征其物理、化学、机械性能的研究。科学家们对石墨烯感兴趣的原因之一是受到碳纳米管科研成果的启发。石墨烯很有可能会成为硅的替代品。事实上，碳纳米管就是卷入柱面中的石墨烯微片，与碳纳米管一样，其具有优良的电子性能，可用来制成超高性能的电子产品。它优于碳纳米管的是，在制作复杂电路时，纳米管必须经过仔细筛选和定位，目前还没有开发出非常好的方法，而这对石墨烯而言则要容易得多。硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作，然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少。此外，石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。由于具有优异的性能，由石墨烯制造的电子产品运行的速度要快得多。有关专家指出:“硅的速度是有极限的，只能达到现在这个地步，无法再提高了。”目前，硅器件的工作速度已达到千兆赫兹的范围。而石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到太赫兹，即1千兆赫兹的1000倍。如果能进一步开发，其意义不言而喻。除了让计算机运行得更快，石墨烯器件还能用于需要高速工作的通信技术和成像技术。有关专家认为，石墨烯很可能首先应用于高频领域，如太赫兹波成像，其一个用途是用来探测隐藏的武器。然而，速度还不是石墨烯的惟一优点。硅不能分割成小于10纳米的小片，否则其将失去诱人的电子性能。与硅相比，石墨烯分割成一个纳米的小片时，其基本物理性能并不改变，而且其电子性能还有可能异常发挥。研究成果陆续发布马里兰大学纳米技术和先进材料中心的物理学教授MichaelS.Fuhrer领导的科研小组的实验表明，石墨烯的电子迁移率不随温度而改变。他们在50开氏度和500开氏度之间测量了石墨烯的电子迁移率，发现无论温度怎么变化，电子迁移率大约都是150000cm2/Vs。而硅的电子迁移率为1400cm2/Vs。电子在石墨烯中的传输速度比硅快100倍，因而未来的半导体材料是石墨烯而不是硅。这将使开发更高速的计算机芯片和生化传感器成为可能。他们还首次测量了石墨烯中电子传导的热振动效应，实验结果显示，石墨烯中电子传导的热振动效应非常微小。中科院数学与系统科学研究院明平兵研究员及合作者刘芳、李巨的计算结果表明，预测石墨烯的理想强度为110GPa～121GPa。这意味着石墨烯是目前人类已知的最为牢固的材料。美国哥伦比亚大学JamesHone和JeffreyKysar研究组在2008年7月《科学》杂志中宣布，石墨烯是现在世界上已知的最为坚固的材料。他们发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，其每100纳米距离上可承受的最大压力达到约2.9微牛。这一结果相当于，施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂能制作出厚度相当于塑料包装袋（厚度约100纳米）的石墨烯，那么需要施加约两万牛顿的压力才能将其扯断。这意味着石墨烯比钻石还要坚硬2010诺贝尔物理学奖得主:把科研当成快乐的游戏中国新闻周刊安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫今年的诺贝尔物理学奖可能最具娱乐性：一对师徒用透明胶带在制作铅笔芯的石墨中发现了一种二维平面材料，他们中的一位还曾获得过“搞笑诺贝尔奖”本刊记者/钱炜10月5日，瑞典皇家科学院宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位科学家——现年52岁的安德烈·海姆和36岁的康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。研究：“search”而非“research”石墨烯是怎么被发现的？对此，海姆2008年在接受《科学观察》采访时解释说，除了拥有设备和相关方面的知识，一个重要原因是自己有一种“科研恶习”。他说，“那段时间里，我关注研究碳纳米管的那拨人，对他们时不时地声称获得这样或那样牛的成果觉得恶心。我想，我可以做一点不同于碳纳米管的东西，为什么不把碳纳米管剖开呢？于是，就有了后来的研究。”起初，海姆请实验室新来的一名中国博士生将一块高定向裂解石墨制成薄膜，要求尽可能薄，并给了他一台精巧的抛光机。三周后，这名博士生拿着培养皿来见海姆，说他成功了。海姆用显微镜一看，那些石墨碎片估计仍有1000层左右。海姆希望他能将石墨碎片研磨得更薄一些，但这名博士生最后说：“如果你这么聪明，就自己试试。”于是这成了一个转折点，海姆决定自己来试试，他就用透明胶带来做这件事。如今，海姆所用的方法，被业界戏称为“透明胶带技术”。由于层间的作用力非常弱，石墨很容易剥落脱离。将石墨放在透明胶带上，反复撕拉10～20下左右，就获得了10层左右的石墨——这正是海姆当初的实验，他们并没有直接获得石墨烯，但10层左右的石墨就已表现出了足够特殊的物理性能。海姆曾用磁性克服重力，让一只青蛙漂浮在半空中，因此获得了2000年的“搞笑诺贝尔奖”。诺贝尔基金会也形容这对师徒“把科学研究当成快乐的游戏”。海姆则说，他的研究风格，是对“search”更感兴趣而非“research”。另一位获奖者诺沃肖洛夫出生在前苏联，他在荷兰奈梅亨大学攻读博士学位时遇见了同为俄裔科学家的海姆，此后一直追随他。应用：从芯片到太空电梯由单层碳原子组成蜂窝状晶格结构的石墨烯，目前被世界公认为是最薄和最坚硬的材料。但在中科院微电子所所长叶甜春看来，更关键的是它的载流子迁移率非常高，大于硅材料的100倍。根据英特尔联合创始人提出的摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月至两年便会增加一倍，性能也将提升一倍。但摩尔定律有个“天花板”：随着技术进步，当芯片的特征尺寸小到只有10个纳米左右时，便可能达到了硅晶体管制造的极限。小于这个尺寸，硅材料较低的载流子迁移率等特性使摩尔定律面临严峻挑战。“由于石墨烯的载流子迁移率非常高，用它制成的新一代超大规模集成电路芯片的运行速度将更快、体积更小、更省电。这种进步将是革命性的，因为硅芯片的工作频率一般只有几百至几千兆赫兹，最高也只达到几万兆赫兹，而石墨烯芯片的频率将可达几十万兆赫兹甚至更高。”石墨烯的应用领域不只限于微电子芯片，从柔性电子产品到智能服装，从可折叠显示器到有机太阳能电池、超轻型飞机材料和防弹衣，甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。正因石墨烯有着如此令人神往的应用前景，两位研究者从第一篇论文发表到获奖，只用了6年时间。“这确实比较特殊，”叶甜春评价道。往届诺奖的大部分获得者，其研究成果都已发表多年，并已获得了大范围的应用，以至于业界笑称“要想获诺奖，先要活得长”。中科院物理所一位副研究员告诉记者，今年4月，诺贝尔基金会曾邀请了一批被它认为在国际上有影响力的学者聚会，该所副所长高鸿钧便在此之列。会上交流时，高和其他国家的一些科学家们都认为，石墨烯应当有资格获奖。商业化：三五年或三五十年尽管前景光明，石墨烯从发现至今，仍未实现大规模的应用。对此，叶甜春表示，目前主要的困难还是材料和器件的制备和生产技术。撕透明胶带只是做研究时用的“土办法”，要想投入商用，就需获得质量和产量上皆理想的石墨烯材料。叶甜春介绍说，目前有好几种制造石墨烯的方法，从实用性角度讲最有希望的是“化学气相沉积”法，即以铜、镍等过渡族金属材料为母基来“生长”具有原子级厚度的石墨烯材料。“但目前的技术最多只能生长出4英寸晶圆级石墨烯，无论是在质量还是尺寸上，都与现代芯片制造所需的12英寸材料还有很大差距。”“石墨烯全面取代硅的时间，还不好预测，也许三五年，也可能三五十年。其实硅芯片技术从出现到发展成熟，也用了五六十年。”上述副研究员表示。不过，叶甜春认为，相比此前被看好的“硅的取代者”碳纳米管，石墨烯有可能被更快地投入应用。