行业发展与动态

    十年磨一剑,开创石墨烯制备新篇章
  • 2010年,曼彻斯特大学两位科学家基于石墨烯的开创性研究获得诺贝尔物理学奖,这激励着无数专家、学者进行开创应用研究。围绕石墨烯在电子学领域应用的主线,瞄准石墨烯单晶制备和与器件应用的关键难题,系统开展石墨烯材料制备和调控研究,谢晓明研究员团队完成了《高质量石墨烯电子材料制备研究》项目,在高品质石墨烯电子材料制备方面取得多项突破,2019年度上海市自然科学一等奖。

    石墨烯及其制备方法和分类

    石墨烯(Graphene)是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

    石墨烯常见的制备方法为机械剥离法氧化还原法、取向附生法SiC外延生长法赫默法,薄膜生产方法为化学气相沉积法CVD)。

    其中,化学气相沉积法(CVD)是使用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法。这是生产石墨烯薄膜最有效的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点。由于石墨烯薄膜的厚度很薄,因此大面积的石墨烯薄膜无法单独使用,必须附着在宏观器件中才有使用价值,例如触摸屏、加热器件等。

    苯环结构层数,将石墨烯分为单层石墨烯(一层)、双层石墨烯(二层)、少层石墨烯3~10层)、多层石墨烯>10层)。

    石墨烯主要应用

    石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,使得一些只能在理论上进行论证的量子效应可通过实验行验证。这为理论物理学家们提供了便捷:一些需要在巨型粒子加速器中进行的试验,用石墨烯可在小型实验室内完成 

    新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本。另外,石墨烯超级电池,解决新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点,使之成为最佳储氢材料。

    石墨烯优异的光学、电学、力学、热学性质,在化学传感器晶体管可弯曲屏幕、海水淡化、航空航天、感光元件、复合材料、生物领域有广泛的应用。

    石墨烯制造芯片四大优势

    集成电路产业发展至今,芯片的主要材料一直是硅片。遵循摩尔定律(在价格不变情况下,集成电路上可容纳的元器件数目,每隔18~24个月增加一倍,性能也提升一倍),硅芯片的产业化工艺制程目前已缩小到5纳米,工艺升级的难度越来越大。

    突破摩尔定律瓶颈,用新型碳材料取代硅基材料,是业界普遍看好的解决方案。石墨烯就是一种新型碳材料,只有一个碳原子层厚度,强度极高,比表面积巨大,导热导电性能优越。与硅基材料相比,将石墨烯材料用于制造芯片有四大优势:① 单层石墨烯的厚度仅为0.27纳米,在半导体工艺制程方面,遵循摩尔定律的发展潜力比硅基材料大得多;② 石墨烯的晶体结构让自由电子迁移不受束缚,电子运行速度达到1/300光速,比硅芯片快100~1000倍;③ 用石墨烯制造的处理器频率有望达到1太赫兹以上,比硅芯片高100~1000倍;④ 石墨烯可以制成柔性薄膜,让电子产品能弯曲、更便携。

    研发历程

      以石墨烯为代表的二维材料在替代传统半导体材料道路上,面临着许多挑战。就像制造硅芯片的原材料是一片片硅单晶晶圆,二维微电子材料的器件应用也需要制备出石墨烯晶圆。高质量石墨烯单晶制备被誉为石墨烯材料“皇冠上的明珠”。中科院上海微系统所花10年工夫,终于掌握了石墨烯单晶晶圆可控制备技术,实现了4~8英寸单晶的小批量生产。”

    在国家科技重大专项、上海市科委项目支持下,谢晓明团队解决了用籽晶制备单晶的技术难题,让一个几百微米大小的石墨烯籽晶在二维平面上生长。经过约2.5小时,籽晶能生长成1.5英寸大小的石墨烯单晶,生长速度和单晶尺寸都创造了世界纪录。经过后期设计优化,这个团队已能制备8英寸石墨烯单晶晶圆。


    中科院上海微系统所还在国际上首次实现了半导体锗基石墨烯CVD制备,研制出4英寸锗基石墨烯晶圆。这种材料与当前主流的集成电路制造工艺线有良好的兼容性。微系统所研制出的另一种二维材料名为六方氮化硼,它俗称“白石墨烯”,与石墨烯结构类似,却是绝缘体。这对“黑白搭档”相互配合,既能提升材料综合性能,又有利于开发出新的器件功能。

    研发成果

    迄今为止,中科院上海微系统所在石墨烯材料制备与器件应用领域已申请100余项专利,授权70余项,其中国际专利9项。获得多项原创性成果,在国内外同行中产生了广泛影响。

    (1)独创单点可控成核技术,研制1.5英寸石墨烯单晶,创造了单核石墨烯单晶尺寸与生长速度世界纪录;

    (2)在国际上报道h-BN衬底石墨烯生长,攻克成核、取向、催化、手性控制、异质结和纳米带制备等关键技术;

    (3)在国际上首次实现半导体锗基石墨烯CVD制备,实现4英寸石墨烯单晶晶圆生长。

    (4)通过聚焦成核机理、大面积单晶制备、带隙及手性调控,该团队突破了多项关键技术,形成完整且具有特色的研究体系。

    产业化进程

    为了让石墨烯尽快产业化,2019年9月,中科院上海微系统所与上海市石墨烯功能型平台签约合作,由后者的创新实验室承担中试工作,扩大石墨烯晶圆等产品的生产规模。

    中科院上海微系统所与上海市石墨烯产业技术功能型平台合作,通过建设创新实验室,实现8英寸石墨烯单晶晶圆、4英寸锗基石墨烯晶圆、大面积六方氮化硼介质薄膜的中试生产。计划2020年9月完成实验室建设,中试生产8英寸石墨烯单晶晶圆等多种产品。

    作为上海市政府布局建设的研发与转化功能型平台之一,石墨烯功能型平台属于新型研发机构,以石墨烯应用需求为牵引,拥有技术创新、中试及产业化的核心服务能力;以“基地+基金+人才”模式集聚并配置技术、人才、资本市场等创新资源,培育石墨烯产业集群。

    谢晓明团队还与国内、国际多家单位合作,实现了石墨烯在微电子、能源、生物医学等领域的应用。

    结语

    目前,欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”,设立专项研发计划英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI);美国未来计算计划等。迫切需求我们利用研究优势,抓住机遇,快速让石墨烯从实验室进入生产线和市场,可以预见这种材料在未来几十年里应用景象。

  • 发布日期: 2021-03-03  浏览: 525