IBM創(chuàng)建首個全功能石墨烯集成電路

該集成電路可使智能手機、平板電腦和可穿戴電子產品等電子設備以速度更高、能效更低、成本更低的方式傳遞數(shù)據(jù)信息。

IBM研究人員近日取得了一項里程碑式的技術突破，利用主流硅CMOS工藝制作了世界上首個多級石墨烯射頻接收器，進行了字母為“I-B-M”的文本信息收發(fā)測試。這款接收器是迄今為止最先進的全功能石墨烯集成電路，可使智能手機、平板電腦和可穿戴電子產品等電子設備以速度更高、能效更低、成本更低的方式傳遞數(shù)據(jù)信息。

石墨烯的單原子層薄片易在傳統(tǒng)集成電路的制作過程中受損，這是石墨烯集成電路發(fā)展面臨的主要阻礙之一。IBM研究人員采用顛覆傳統(tǒng)硅集成電路制作流程的方法，克服了上述挑戰(zhàn)，制作了由3個晶體管、4個電感器、2個電容器和2個電阻組成的石墨烯射頻接收器。它的性能比以往的石墨烯集成電路好1000倍，達到了與硅技術的現(xiàn)代無線通信能力相媲美的程度。

該集成電路可使智能手機、平板電腦和可穿戴電子產品等電子設備以速度更高、能效更低、成本更低的方式傳遞數(shù)據(jù)信息。

在當今的中國與世界，關于石墨烯可能引發(fā)的材料革命乃至新技術革命討論非常熱烈。最近，我到北京、上海、廣州、深圳、江蘇、浙江、黑龍江、山東、陜西和中科院、清華大學等地方和研究機構對石墨烯進行了調研。石墨烯具有非常大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬?，我們必須統(tǒng)籌規(guī)劃，精心布局，緊緊抓住石墨烯研發(fā)和產業(yè)化所帶來的重大發(fā)展機遇，努力掌握未來科技競爭的制高點。

正在興起的石墨烯材料新時代

石墨烯的發(fā)現(xiàn)雖然僅10年左右，卻引發(fā)了席卷全球的一波又一波的研究開發(fā)浪潮。石墨烯是一種由碳原子緊密堆積而成的二維晶體，具有神奇的電子傳輸、導電、導熱和機械等特征。2004年英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，在實驗室成功地從石墨中剝離出了石墨烯，證明了石墨烯可以單獨存在，因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎，從而掀起了石墨烯制備、改性和應用的全球研究熱潮。將石墨烯用于超級電容器、透明電極、鋰離子電池、傳感器、功能涂料和聚合物納米復合材料等方面的應用前景，開辟了石墨烯材料的新時代。

正如有學者所言，19世紀是鐵器的時代，20世紀是硅的時代，21世紀是碳的時代。碳是自然界分布最普遍的元素之一，是構成地球上一切生命體最重要的元素。碳材料的特性幾乎涵蓋地球上所有物質的性質。先進碳材料具有新型結構和優(yōu)異的物理化學性能，是對未來發(fā)展具有重大和決定意義的新材料。

新材料產業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產業(yè)的重點之一，也是未來高新技術產業(yè)發(fā)展的基石和先導，是我國成為世界制造業(yè)強國的重要基礎。石墨烯作為先進碳材料，它是當今發(fā)現(xiàn)的世界上最優(yōu)質的材料。它有以下特點：最薄，0.35nm，被稱為現(xiàn)今世界最薄的材料；比表面積最大，2620m2/g；最硬，剛度優(yōu)于金剛石，是人類已知強度最高的物質，比鋼鐵硬100倍；最抗拉，可彈性拉伸20%；熱導率最高，5300W/m.k；最高遷移率200,000cm2/v.s@300k；高透光性，透光率為97.7%/單層；高載流能力：電流密度比銅高6個數(shù)量級；最奇特的是，石墨烯是二維量子材料，線性能帶色散關系，載流子有效質量為零，能在溫室下觀察到量子霍爾效應；還具有室溫彈道輸運特性。

石墨烯具有超薄、超輕、超高強度、超強導電性、優(yōu)異的室溫導熱和透光性，幾乎完全透明，結構穩(wěn)定，應用非常廣泛，發(fā)展前景巨大，是推動戰(zhàn)略高技術發(fā)展的關鍵材料。

石墨烯具有無限廣闊的應用前景，雖然現(xiàn)在還是潛在階段，普遍應用與產業(yè)化還沒有打開局面，但是從科學預測的角度來看，已經成為不可忽視的重點領域。比如，它可替代和解決傳統(tǒng)鋰電池充電速度慢、蓄電能力差、壽命短、污染等弊端，可解決電動汽車發(fā)展的關鍵難題，使新能源電動汽車蓬勃發(fā)展。再比如可以替代硅，制造未來新一代超級計算機；替代ITO透明導電薄膜，應用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池等電子工業(yè)領域；還可應用于海水淡化、可降解塑料、散熱膜、防腐涂層、生物材料、復合材料、平板電腦、手表日歷、移動電話、光電探測器、石墨烯紙、石墨烯布以及航天軍工、超輕防彈衣、超薄超輕飛機、超薄折疊手機、甚至有想象力的天空電梯等。石墨烯創(chuàng)造的需求，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業(yè)革命。從全球發(fā)展趨勢來看，誰都不愿意喪失石墨烯發(fā)展帶來的重大機遇。

石墨烯是未來高技術產業(yè)競爭的戰(zhàn)略制高點

近年來，特別是2007年后，無論是石墨烯研究、論文發(fā)表以及研發(fā)與產業(yè)化，在中國和世界都進入了快速增長期。論文和專利年增幅都超過70%，特別是2009年—2012年，國際專利申請量增幅100%以上，迄今為止全球發(fā)表論文已超過3.4萬篇，僅2013年就超過1萬篇。全球專利申請超過4000件。值得一提的是，近幾年我國在石墨烯領域發(fā)表的論文和專利申請，都居世界第一。截止到2012年底，我國共發(fā)表國際論文6308篇，美國排第二位，發(fā)表5709篇。我國論文引頻次數(shù)共90403次，而美國論文被引頻次數(shù)達132991次。我國申請專利1471件，美國申請專利1130件。說明我國在石墨烯領域的科技基礎積累、研發(fā)以及高技術發(fā)展方面已具有一定的實力。

石墨烯是世界高技術發(fā)展的戰(zhàn)略制高點，引起世界各國的高度關注，尤其是在研發(fā)方面競爭激烈。2008年—2010年，歐盟發(fā)布了石墨烯基納米電子器件項目，并于2013年宣布將石墨烯列入“未來新興旗艦技術項目”，將在今后10年研發(fā)資助10億歐元，將石墨烯發(fā)展提升至戰(zhàn)略高度。英國政府也重視石墨烯研究，在曼徹斯特大學建立國家石墨烯研究所，推進石墨烯材料的商業(yè)化進程。2011年，英國政府在《促進增長的創(chuàng)新與發(fā)展戰(zhàn)略》中把石墨烯作為國家今后四個重點發(fā)展方向之一。投入5000萬英鎊支持石墨烯研發(fā)和商業(yè)化應用研究。同年，英國自然科學研究院委員會、英國技術戰(zhàn)略委員會投入約1000萬英鎊，建立一個以新興技術探索和市場開發(fā)為核心的創(chuàng)新中心，致力于石墨烯技術的探索、開發(fā)及應用。2012年底，英國政府又追加2150萬英鎊資助石墨烯的商業(yè)化探索研究。韓國政府投入研發(fā)費用14億美元，把石墨烯材料及產品定為未來革新產業(yè)之一。2007年—2009年，韓國教育科學部門累計資助了90個相關項目，經費1870萬美元。2012年—2018年，韓國原知識經濟部預計將向石墨烯提供2.5億美元的資助，1.24億美元用于技術研發(fā)，其余用作商業(yè)化研究。2013年，韓國產業(yè)通商資源部宣布在未來6年內，投入4230萬美元，幫助企業(yè)實現(xiàn)石墨烯的應用產品和相關技術商業(yè)化。2006年—2011年，美國國家自然科學基金(NSF)關于石墨烯的資助項目有200項，包括石墨烯超級電容器應用、石墨烯連續(xù)和大規(guī)模納米制造等項目。2008年，美國國防部高級研究計劃署(DARPA)投資2200萬美元研發(fā)超高速和低耗能的石墨烯晶體管。同時，至少有10多家公司在研發(fā)與產業(yè)化方面取得了新的拓展。日本學術振興機構(JST)從2007年起開始對石墨烯硅材料、器件的技術進行資助。德國于2009年由科學基金會(DFG)開展石墨烯新興前沿研究項目。

各國政府紛紛重視和關注石墨烯的同時，企業(yè)也敏銳地抓住時機，表現(xiàn)出對石墨烯的極大興趣，投入到石墨烯研發(fā)和產業(yè)化的競爭中。美國在納米電子器件、高頻電子器件方面研發(fā)力度大，已研發(fā)出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，大大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，可廣泛用于石墨烯夜視鏡、相機等小型數(shù)碼設備。加州大學伯克利分校研制出石墨調制器，可實現(xiàn)超快數(shù)據(jù)通訊。美國沃貝克材料公司推出導電油墨，性能好，價格低，并得到美國環(huán)保署批準。美國輝銳科技公司研發(fā)并制造出大面積柔性觸控屏。IBM、三星公司重點研發(fā)在高速晶體管上的應用。三星、諾基亞重點研發(fā)石墨烯在柔性顯示方面的應用。美國卡博特公司、韓國浦項公司在石墨烯電容器、電池方面取得重要進展。韓國三星不久前宣稱將石墨烯成功應用于觸摸平板顯示器，制造出多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，可廣泛應用于移動設備。索尼公司成功合成大面積長120米、寬230米石墨烯薄膜。IBM、巴斯夫和索尼等均投入巨額資金，化工醫(yī)藥巨頭拜耳、飛機發(fā)動機巨頭英國羅羅公司也加強了對石墨烯的研發(fā)，力圖迅速占領石墨烯產業(yè)的制高點。