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石墨烯在电子领域的未来之路有多宽?

2017-06-09 09:20
龙凰
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 石墨烯具有许多创纪录的出色性能,被誉为21世纪新材料。这使石墨烯的应用涉及广泛领域,但在众多应用中,石墨烯在电子领域的应用尤其值得关注。

根据2016 年年底美国的市场调研公司Grand ViewResearch 按产品、应用、地域和细分市场划分,发布的《2014—2025 年石墨烯市场规模和趋势的预测报告》,电子行业是石墨烯最受欢迎的应用领域。

据统计,2015 年,电子行业是石墨烯最大的应用市场,在石墨烯的各类应用市场中占据40%的份额,这归结于消费电子不断增长的需求,尤其是智能手机、平板电脑,已成为电子应用细分市场发展最大驱动力。本文将分析石墨烯性能优势、全球石墨烯专利分布现状、世界电子行业巨头在石墨烯电子领域的研发状况,揭示了石墨烯在电子应用领域的发展潜能、当前面临的挑战,以及欧盟对石墨烯电子领域的发展预期。

一、石墨烯在电子领域的应用优势

科学界已证实,一个原子厚度石墨烯的诸多独特性能,已打破材料王国多项记录。石墨烯是世界上已知硬度最高的材料,几乎完全透明,具有高达5300W/m·K 的热导系数和高达1.5×104 cm2/Vs 的电子迁移度和出色的机械强度;像塑料一样透明但性能好于塑料;导电、导热好于任何金属;具有不可渗透性,可用做防渗膜;具有化学惰性和稳定性。这使之成为新一代透明导体的理想材料。

由于用于氧化铟锡(ITO)造价高昂,而且铟具有脆性,石墨烯成为可替代氧化铟锡理想材料,可用于显示器和触摸屏。将石墨烯电极用于显示屏,有望带来柔性、可折叠、摔不破的智能手机和其他可重塑形电子。

由于受到晶体管很难变得更加小型化的限制,目前用于集成电路的互补金属氧化物(CMOS)技术正在快速达到其技术极限。由欧洲、日本、韩国、中国台湾、美国等5个主要的芯片制造地区发起的国际半导体技术路线图(ITRS),已将石墨烯列为后硅电子可能的替代材料。

一个原子厚度的石墨烯有望最终带来颠覆性的新一代柔性电子器件。因为基于塑料或纸张的电子器件成本更为低廉。利用石墨烯制备一些无源器件,例如,电阻器、电容器和天线等,以及制备二极管或简单的场效应晶体管,有望带来可在无线网络环境下运行的柔性电路。

利用石墨烯制成超薄、柔性电子有望进行模块化集成,从而带来超薄的移动器件。石墨烯超强承受机械应变性能,将使得超薄移动器件可折叠、坚不可破。通过在集成电路系统中引入一些基于石墨烯的全新功能,即通过引入分布式传感器、制动器和控制器等,有望带来家庭自动化、环境控制和办公室自动化,使得生活更加美好、健康、舒适,也将为老年人、一线工人提供足够的设施和安全保障。

二、行业巨头石墨烯电子领域研发现状

一些世界知名的电子行业巨头,纷纷加大石墨烯研发投入。2012 年,IBM 成功研制了世界首个由石墨烯圆片制成的集成电路。公司随后启动了新一代芯片技术研发计划,投入30 亿美元研发预算,利用石墨烯、碳纳米管、量子计算、硅光子学等多项新技术,以期替代硅技术。截至2015 年3 月,IBM 在石墨烯领域的专利已超过200 项,并取得了多项技术突破。韩国三星电子也投入了巨大研发力量,保证了其在石墨烯应用于柔性显示、触摸屏以及芯片等领域的国际领先地位。2014 年,三星先进技术研究院与韩国成均馆大学联合宣布,合成了一种能在更大尺度内保持导电性的石墨烯晶体,可用于在柔性显示屏和可穿戴设备上,截至目前,韩国三星在石墨烯方面的专利已达到500 余项。其他电子行业巨头公司,例如苹果、惠普、戴尔和英特尔等,也都在石墨烯电子应用领域加大了研发投入,并进行了专利保护,具体如表1 所示。

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