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揭秘石墨烯:华为青睐国家重视 更是5G通信的基石

2016-01-04 10:08
小伊琳
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  不久前,工信部、发改委和科技部等三部委日前发布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,欲在2020年形成完善的石墨烯产业体系,实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化,在多领域实现规模化应用。为何三部委对石墨烯产业如此重视呢?

  石墨烯是由碳原子组成的单层石墨——最早的石墨烯就是用胶带一层一层地把石墨变薄而获得的,是只有一个碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的导热性、电导性、透光性,而且具有高强度、超轻薄、超大比表面积等特性,因而被誉为“超级材料”。

  (石墨烯非常轻)

  石墨烯的用途非常广泛,可以被应用于锂离子电池电极材料、薄膜晶体管、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏等方面。

  石墨烯是替代硅的理想材料

  相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能,通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴,而且随着Intel在IPC上已经遭遇紧瓶,相信全球其他IC设计公司在各自的微结构达到Haswell水平后,IPC很有可能也会相继撞墙。因此,提升主频已经是成为了提升CPU性能的不二之选。

  硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。

  但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯的载流子迁移率在室温下可达硅的10倍以上,在实验室环境下最高可达100倍,饱和速度是硅的5倍,电子运动速度达到了光速的1/300。同时具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G

  (IBM的石墨烯圆晶/芯片)

  因此,采用石墨烯材料的芯片具有极高的工作频率和极小的尺寸,而且石墨烯芯片制造可与硅工艺兼容,是硅的理想替代材料——在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随着技术发展,进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还拥有更低的功耗。

  石墨烯材料制备

  石墨烯材料可分为两类:一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜;另一类是由多层石墨烯(10层以下)构成的微片。

  目前石墨烯制造方法多达几十种——物理方法主要有机械剥离法、取向附生法和加热SiC外延生长法;化学方法主要有电弧放电法、化学剥离法、氧化还原法和化学气相沉积(CVD)法。各种制备方法获得的石墨烯材料应用领域有所不同,比如采用电弧放电发制取的石墨烯更适合作为超级电容器的电极材料,而可用于制造集成电路的石墨烯材料的制备方法是加热SiC外延生长法和CVD法。

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