石墨烯：電子科技行業革命性產品
石墨烯：電子科技行業(ye) 革命性產(chan) 品
石墨烯具有許多創紀錄的出色性能，被譽為(wei) 21世紀新材料。這使石墨烯的應用涉及廣泛領域，但在眾(zhong) 多應用中，石墨烯在電子領域的應用尤其值得關(guan) 注。
根據2016 年年底美國的市場調研公司Grand ViewResearch 按產(chan) 品、應用、地域和細分市場劃分，發布的《2014—2025 年石墨烯市場規模和趨勢的預測報告》，電子行業(ye) 是石墨烯最受歡迎的應用領域。
據統計，2015 年，電子行業(ye) 是石墨烯最大的應用市場，在石墨烯的各類應用市場中占據40%的份額，這歸結於(yu) 消費電子不斷增長的需求，尤其是智能手機、平板電腦，已成為(wei) 電子應用細分市場發展最大驅動力。本文將分析石墨烯性能優(you) 勢、全球石墨烯專(zhuan) 利分布現狀、世界電子行業(ye) 巨頭在石墨烯電子領域的研發狀況，揭示了石墨烯在電子應用領域的發展潛能、當前麵臨(lin) 的挑戰，以及歐盟對石墨烯電子領域的發展預期。
一、石墨烯在電子領域的應用優(you) 勢
科學界已證實，一個(ge) 原子厚度石墨烯的諸多獨特性能，已打破材料王國多項記錄。石墨烯是世界上已知硬度最高的材料，幾乎完全透明，具有高達5300W/m·K 的熱導係數和高達1.5×104 cm2/Vs 的電子遷移度和出色的機械強度；像塑料一樣透明但性能好於(yu) 塑料；導電、導熱好於(yu) 任何金屬；具有不可滲透性，可用做防滲膜；具有化學惰性和穩定性。這使之成為(wei) 新一代透明導體(ti) 的理想材料。
由於(yu) 用於(yu) 氧化銦錫（ITO）造價(jia) 高昂，而且銦具有脆性，石墨烯成為(wei) 可替代氧化銦錫理想材料，可用於(yu) 顯示器和觸摸屏。將石墨烯電極用於(yu) 顯示屏，有望帶來柔性、可折疊、摔不破的智能手機和其他可重塑形電子。
由於(yu) 受到晶體(ti) 管很難變得更加小型化的限製，目前用於(yu) 集成電路的互補金屬氧化物（CMOS）技術正在快速達到其技術極限。由歐洲、日本、韓國、中國台灣、美國等5個(ge) 主要的芯片製造地區發起的國際半導體(ti) 技術路線圖（ITRS），已將石墨烯列為(wei) 後矽電子可能的替代材料。
一個(ge) 原子厚度的石墨烯有望最終帶來顛覆性的新一代柔性電子器件。因為(wei) 基於(yu) 塑料或紙張的電子器件成本更為(wei) 低廉。利用石墨烯製備一些無源器件，例如，電阻器、電容器和天線等，以及製備二極管或簡單的場效應晶體(ti) 管，有望帶來可在無線網絡環境下運行的柔性電路。
利用石墨烯製成超薄、柔性電子有望進行模塊化集成，從(cong) 而帶來超薄的移動器件。石墨烯超強承受機械應變性能，將使得超薄移動器件可折疊、堅不可破。通過在集成電路係統中引入一些基於(yu) 石墨烯的全新功能，即通過引入分布式傳(chuan) 感器、製動器和控製器等，有望帶來家庭自動化、環境控製和辦公室自動化，使得生活更加美好、健康、舒適，也將為(wei) 老年人、一線工人提供足夠的設施和安全保障。
二、行業(ye) 巨頭石墨烯電子領域研發現狀
石墨烯在電子領域的未來之路有多寬？
一些世界知名的電子行業(ye) 巨頭，紛紛加大石墨烯研發投入。2012 年，IBM 成功研製了世界首個(ge) 由石墨烯圓片製成的集成電路。公司隨後啟動了新一代芯片技術研發計劃，投入30 億(yi) 美元研發預算，利用石墨烯、碳納米管、量子計算、矽光子學等多項新技術，以期替代矽技術。截至2015 年3 月，IBM 在石墨烯領域的專(zhuan) 利已超過200 項，並取得了多項技術突破。韓國三星電子也投入了巨大研發力量，保證了其在石墨烯應用於(yu) 柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領域的國際領先地位。2014 年，三星先進技術研究院與(yu) 韓國成均館大學聯合宣布，合成了一種能在更大尺度內(nei) 保持導電性的石墨烯晶體(ti) ，可用於(yu) 在柔性顯示屏和可穿戴設備上，截至目前，韓國三星在石墨烯方麵的專(zhuan) 利已達到500 餘(yu) 項。其他電子行業(ye) 巨頭公司，例如蘋果、惠普、戴爾和英特爾等，也都在石墨烯電子應用領域加大了研發投入，並進行了專(zhuan) 利保護，具體(ti) 如表1 所示。
三、石墨烯在電子領域應用麵臨(lin) 問題
3.1 材料低成本宏量製備高質量石墨烯的瓶頸
要實現石墨烯在電子領域的顛覆性應用，首先要突破石墨烯的製備瓶頸。石墨烯特定工藝的適宜性取決(jue) 於(yu) 其具體(ti) 應用，例如，納米電子對材料有嚴(yan) 苛的要求，即在單一晶體(ti) 上的缺陷密度應非常低；對於(yu) 其他一些應用，例如生物傳(chuan) 感器，則可能需要帶有缺陷的石墨烯；而印刷電子卻允許更低的質量，即較低載流子遷移度的石墨烯。CVD 法正成為(wei) 製備大麵積石墨烯薄膜的理想方法，但需要解決(jue) 的問題還很多，還需進一步提高材料的電子和光學性能，包括：機械形變、穩定的摻雜，以及開發成本更低、更為(wei) 可靠的轉移技術。
歐盟石墨烯旗艦計劃研究團隊已對截至2014 年8 月最先進的石墨烯製備方法及其可預見的應用匯總，具體(ti) 如表2 所示。
3.2 在石墨烯中打開所需的能帶隙技術仍處於(yu) 初期
目前，缺陷較少、結構完整的石墨烯比較容易製得，但大多數情況下，石墨烯的帶隙寬度幾乎為(wei) 零或者非常小，不能用來製作半導體(ti) 器件。在石墨烯中打開一個(ge) 能帶隙，而不影響石墨烯的其他出色性能，例如高電子遷移度，是目前的研發熱點。科學界已采用許多技術克服這一難題：已有科學家們(men) 通過石墨烯基底材料誘發打開能帶隙；在h-BN 或h-BN/Ni（111）基底上打開0.5 eV 能帶隙；最新理論證明，可在沉積在氧終止的SiO2 表麵上的石墨烯中，打開一個(ge) ～0.52 eV的能帶隙；科學家們(men) 已在生長在SiC 基底上的雙層石墨烯中打開能帶隙；這裏不一一列舉(ju) 。然而，所有這些技術目前都還處於(yu) 初期，還需要進一步研發。很多具有前景的方法，都會(hui) 增加石墨烯的缺陷。而且，到目前為(wei) 止還不能達到大麵積的均勻摻雜。
根據歐盟石墨烯旗艦計劃研究團隊對石墨烯用於(yu) 不同電子領域驅動力、當前石墨烯技術需要解決(jue) 的主要問題進行了分析（見表3）。
歐盟對石墨烯技術的發展規劃（2014—2024 年）歐盟石墨烯旗艦計劃將石墨烯技術的發展分成3 個(ge) 主要部分，分別為(wei) 材料製備、元件製備和最終的石墨烯集成於(yu) 各類係統，製定了每個(ge) 領域預期實現的目標，如圖3 所示。
五、小結
領先的新技術行業(ye) 研究公司Innova Research（壹行研）近日公布了2017 年全球石墨烯七大趨勢。報告認為(wei) 2017 年，石墨烯的價(jia) 格將大幅降低，石墨烯在中央處理器和芯片等核心電子元件的應用研發將獲得進一步推動。石墨烯在電子方麵的應用日益普及，其中，石墨烯導電油墨和基於(yu) 石墨烯的射頻標簽（RFID）在消費電子和其他電子產(chan) 品市場嶄露頭角。
未來基於(yu) 石墨烯的電磁幹擾屏蔽/靜電保護（ EMI/ESD）元器件等技術也將會(hui) 日益成熟。另外，石墨烯在中央處理器和芯片上的應用受到眾(zhong) 多計算機和電子業(ye) 巨頭的重點關(guan) 注，其未來的研發過程將得到這些巨頭進一步的推動。
報告稱，2015 年石墨烯在電子行業(ye) 的應用占全球石墨烯市場收入35.9%，並預測到2020 年，石墨烯從(cong) 電子行業(ye) 取得的收入將超過全球石墨烯市場收入份額的一半，達到51.3%。
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