不久前，工信部、發(fā)改委和科技部等三部委日前發(fā)布《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，欲在2020年形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系，實現(xiàn)石墨烯材料標準化、系列化和低成本化，在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應用。為何三部委對石墨烯產(chǎn)業(yè)如此重視呢？

石墨烯是由碳原子組成的單層石墨——最早的石墨烯就是用膠帶一層一層地把石墨變薄而獲得的，是只有一個碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的導熱性、電導性、透光性，而且具有高強度、超輕薄、超大比表面積等特性，因而被譽為“超級材料”。

石墨烯非常輕

石墨烯的用途非常廣泛，可以被應用于鋰離子電池電極材料、薄膜晶體管、傳感器、半導體器件、復合材料制備、透明顯示觸摸屏等方面。

石墨烯是替代硅的理想材料

相對于通過前端設(shè)計提升微結(jié)構(gòu)來提高芯片性能，通過后端設(shè)計來提升主頻顯然更加簡單粗暴，而且隨著Intel在IPC上已經(jīng)遭遇緊瓶，相信全球其他IC設(shè)計公司在各自的微結(jié)構(gòu)達到Haswell水平后，IPC很有可能也會相繼撞墻。因此，提升主頻已經(jīng)是成為了提升CPU性能的不二之選。

硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實現(xiàn)的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。

但如果使用石墨烯材料，那么結(jié)果就可能不同了。因為相對于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料，石墨烯的載流子遷移率在室溫下可達硅的１０倍以上，在實驗室環(huán)境下最高可達100倍，飽和速度是硅的５倍，電子運動速度達到了光速的１／３００。同時具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達155G。

IBM的石墨烯圓晶/芯片

因此，采用石墨烯材料的芯片具有極高的工作頻率和極小的尺寸，而且石墨烯芯片制造可與硅工藝兼容，是硅的理想替代材料——在前端設(shè)計水平相當?shù)那闆r下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進一步挖掘潛力，性能可能會是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍！同時還擁有更低的功耗。

石墨烯材料制備

石墨烯材料可分為兩類：一類是由單層或多層石墨烯構(gòu)成的薄膜；另一類是由多層石墨烯（１０層以下）構(gòu)成的微片。

目前石墨烯制造方法多達幾十種——物理方法主要有機械剝離法、取向附生法和加熱ＳｉＣ外延生長法；化學方法主要有電弧放電法、化學剝離法、氧化還原法和化學氣相沉積（ＣＶＤ）法。各種制備方法獲得的石墨烯材料應用領(lǐng)域有所不同，比如采用電弧放電發(fā)制取的石墨烯更適合作為超級電容器的電極材料，而可用于制造集成電路的石墨烯材料的制備方法是加熱ＳｉＣ外延生長法和ＣＶＤ法。

• 加熱ＳｉＣ法

加熱ＳｉＣ法是在ＳｉＣ晶圓的Ｓｉ面或Ｃ面上，通過加熱使Ｓｉ原子蒸發(fā)掉而在ＳｉＣ上形成石墨烯層。該方法制作的石墨烯材料層數(shù)可控，面積較大，具有較高的載流子遷移率，能夠研制出高性能的射頻芯片。但目前受ＳｉＣ晶圓尺寸的限制，這種技術(shù)最多只能生長出４英寸晶圓級石墨烯，尺寸雖無法與現(xiàn)代芯片所需的１２英寸Ｓｉ材料相比，但是晶圓質(zhì)量與Ｓｉ晶圓相當甚至更好。2015年，北京大學采用氫輔助法在４Ｈ－ＳｉＣ表面外延生長出高質(zhì)量石墨烯，其中氫充當了碳刻蝕劑的作用，產(chǎn)生的石墨烯層面積更大，厚度更均勻。