石墨烯在电子领域的未来之路有多宽?

2017-06-09 12:07 产业观察   来源:《石墨烯电子应用的发展与挑战》   作者:高岩,苏东艳

导读石墨烯具有许多创纪录的出色性能,被誉为21世纪新材料。这使石墨烯的应用涉及广泛领域,但在众多应用中,石墨烯在电子领域的应用尤其值得关注。  

石墨烯具有许多创纪录的出色性能,被誉为21世纪新材料。这使石墨烯的应用涉及广泛领域,但在众多应用中,石墨烯在电子领域的应用尤其值得关注。

 

石墨烯在电子领域的未来之路有多宽?

根据2016 年年底美国的市场调研公司Grand ViewResearch 按产品、应用、地域和细分市场划分,发布的《2014—2025 年石墨烯市场规模和趋势的预测报告》,电子行业是石墨烯最受欢迎的应用领域。

据统计,2015 年,电子行业是石墨烯最大的应用市场,在石墨烯的各类应用市场中占据40%的份额,这归结于消费电子不断增长的需求,尤其是智能手机、平板电脑,已成为电子应用细分市场发展最大驱动力。本文将分析石墨烯性能优势、全球石墨烯专利分布现状、世界电子行业巨头在石墨烯电子领域的研发状况,揭示了石墨烯在电子应用领域的发展潜能、当前面临的挑战,以及欧盟对石墨烯电子领域的发展预期。

一、石墨烯在电子领域的应用优势

科学界已证实,一个原子厚度石墨烯的诸多独特性能,已打破材料王国多项记录。石墨烯是世界上已知硬度最高的材料,几乎完全透明,具有高达5300W/m·K 的热导系数和高达1.5×104 cm2/Vs 的电子迁移度和出色的机械强度;像塑料一样透明但性能好于塑料;导电、导热好于任何金属;具有不可渗透性,可用做防渗膜;具有化学惰性和稳定性。这使之成为新一代透明导体的理想材料。

由于用于氧化铟锡(ITO)造价高昂,而且铟具有脆性,石墨烯成为可替代氧化铟锡理想材料,可用于显示器和触摸屏。将石墨烯电极用于显示屏,有望带来柔性、可折叠、摔不破的智能手机和其他可重塑形电子。

由于受到晶体管很难变得更加小型化的限制,目前用于集成电路的互补金属氧化物(CMOS)技术正在快速达到其技术极限。由欧洲、日本、韩国、中国台湾、美国等5个主要的芯片制造地区发起的国际半导体技术路线图(ITRS),已将石墨烯列为后硅电子可能的替代材料。

一个原子厚度的石墨烯有望最终带来颠覆性的新一代柔性电子器件。因为基于塑料或纸张的电子器件成本更为低廉。利用石墨烯制备一些无源器件,例如,电阻器、电容器和天线等,以及制备二极管或简单的场效应晶体管,有望带来可在无线网络环境下运行的柔性电路。

利用石墨烯制成超薄、柔性电子有望进行模块化集成,从而带来超薄的移动器件。石墨烯超强承受机械应变性能,将使得超薄移动器件可折叠、坚不可破。通过在集成电路系统中引入一些基于石墨烯的全新功能,即通过引入分布式传感器、制动器和控制器等,有望带来家庭自动化、环境控制和办公室自动化,使得生活更加美好、健康、舒适,也将为老年人、一线工人提供足够的设施和安全保障。

二、行业巨头石墨烯电子领域研发现状

 

石墨烯在电子领域的未来之路有多宽?

一些世界知名的电子行业巨头,纷纷加大石墨烯研发投入。2012 年,IBM 成功研制了世界首个由石墨烯圆片制成的集成电路。公司随后启动了新一代芯片技术研发计划,投入30 亿美元研发预算,利用石墨烯、碳纳米管、量子计算、硅光子学等多项新技术,以期替代硅技术。截至2015 年3 月,IBM 在石墨烯领域的专利已超过200 项,并取得了多项技术突破。韩国三星电子也投入了巨大研发力量,保证了其在石墨烯应用于柔性显示、触摸屏以及芯片等领域的国际领先地位。2014 年,三星先进技术研究院与韩国成均馆大学联合宣布,合成了一种能在更大尺度内保持导电性的石墨烯晶体,可用于在柔性显示屏和可穿戴设备上,截至目前,韩国三星在石墨烯方面的专利已达到500 余项。其他电子行业巨头公司,例如苹果、惠普、戴尔和英特尔等,也都在石墨烯电子应用领域加大了研发投入,并进行了专利保护,具体如表1 所示。

三、石墨烯在电子领域应用面临问题

3.1 材料低成本宏量制备高质量石墨烯的瓶颈

要实现石墨烯在电子领域的颠覆性应用,首先要突破石墨烯的制备瓶颈。石墨烯特定工艺的适宜性取决于其具体应用,例如,纳米电子对材料有严苛的要求,即在单一晶体上的缺陷密度应非常低;对于其他一些应用,例如生物传感器,则可能需要带有缺陷的石墨烯;而印刷电子却允许更低的质量,即较低载流子迁移度的石墨烯。CVD 法正成为制备大面积石墨烯薄膜的理想方法,但需要解决的问题还很多,还需进一步提高材料的电子和光学性能,包括:机械形变、稳定的掺杂,以及开发成本更低、更为可靠的转移技术。

 

石墨烯在电子领域的未来之路有多宽?

欧盟石墨烯旗舰计划研究团队已对截至2014 年8 月最先进的石墨烯制备方法及其可预见的应用汇总,具体如表2 所示。

3.2 在石墨烯中打开所需的能带隙技术仍处于初期

目前,缺陷较少、结构完整的石墨烯比较容易制得,但大多数情况下,石墨烯的带隙宽度几乎为零或者非常小,不能用来制作半导体器件。在石墨烯中打开一个能带隙,而不影响石墨烯的其他出色性能,例如高电子迁移度,是目前的研发热点。科学界已采用许多技术克服这一难题:已有科学家们通过石墨烯基底材料诱发打开能带隙;在h-BN 或h-BN/NI(111)基底上打开0.5 eV 能带隙;最新理论证明,可在沉积在氧终止的SiO2 表面上的石墨烯中,打开一个~0.52 eV的能带隙;科学家们已在生长在SiC 基底上的双层石墨烯中打开能带隙;这里不一一列举。然而,所有这些技术目前都还处于初期,还需要进一步研发。很多具有前景的方法,都会增加石墨烯的缺陷。而且,到目前为止还不能达到大面积的均匀掺杂。

 

石墨烯在电子领域的未来之路有多宽?

根据欧盟石墨烯旗舰计划研究团队对石墨烯用于不同电子领域驱动力、当前石墨烯技术需要解决的主要问题进行了分析(见表3)。

四、欧盟对石墨烯电子领域应用预期

 

石墨烯在电子领域的未来之路有多宽?

欧盟对实现各类电子应用预期的时间图2 为功能器件原型产品有望实现的预计时间。

 

石墨烯在电子领域的未来之路有多宽?

欧盟对石墨烯技术的发展规划(2014—2024 年)欧盟石墨烯旗舰计划将石墨烯技术的发展分成3 个主要部分,分别为材料制备、元件制备和最终的石墨烯集成于各类系统,制定了每个领域预期实现的目标,如图3 所示。

五、小结

领先的新技术行业研究公司Innova Research(壹行研)近日公布了2017 年全球石墨烯七大趋势。报告认为2017 年,石墨烯的价格将大幅降低,石墨烯在中央处理器和芯片等核心电子元件的应用研发将获得进一步推动。石墨烯在电子方面的应用日益普及,其中,石墨烯导电油墨和基于石墨烯的射频标签(RFID)在消费电子和其他电子产品市场崭露头角。

未来基于石墨烯的电磁干扰屏蔽/静电保护( EMI/ESD)元器件等技术也将会日益成熟。另外,石墨烯在中央处理器和芯片上的应用受到众多计算机和电子业巨头的重点关注,其未来的研发过程将得到这些巨头进一步的推动。

报告称,2015 年石墨烯在电子行业的应用占全球石墨烯市场收入35.9%,并预测到2020 年,石墨烯从电子行业取得的收入将超过全球石墨烯市场收入份额的一半,达到51.3%。

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