石墨烯应用前景及国内外研究现状及发展趋势

2013-10-29 来源:微波射频网搜集整理 我要评论(0) 字号:

石墨烯的超高电子迁移率和极高的热导率的优良特性,在毫米波、亚毫米波乃至太赫兹器件、超级计算机等方面具有重大的应用前景。石墨烯晶体管成本较低,可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能,为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向。基于石墨烯沟道的超高速、超低噪声、超低功耗的场效应晶体管及其集成电路,有望突破当前高频电子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶颈,为开发高性能雷达系统、高频宽带通信技术、新型高分辨成像技术、超级计算机技术提供新的思路和解决方案。这些系统应用于军事装备,可以大大提高我军在3mm波段的电子对抗、通信、雷达系统的水平,实现我们信息化和自动化的新的跨越。石墨烯的超高电子迁移率,在毫米波、亚毫米波乃至太赫兹器件、超级计算机等方面具有重大的军事与民用前景,可望突破当前高频电子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶颈,为开发新型高分辨成像技术、高性能雷达系统、高频宽带通信技术、超级计算机技术提供新的思路和解决方案。

国外研究现状及发展趋势

2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆课题组首次找到一种把石墨层粘贴在透明胶上,然后反复数次把石墨与胶带分开,最后得到石墨烯(石墨单层)的方法,并制作出了世界最小晶体管,由此获得了2010年诺贝尔物理学奖。由于石墨烯严格的二维结构,它蕴涵着许多新的物理以及潜在应用,因此它成为目前科学研究的热点之一。

自2004年Andre.K.Geim教授和Kostya.Novoselov研究员首次制备出石墨烯以来,石墨烯受到全世界科学家的广泛关注,下图表示出了近几年石墨烯的文章SCI收录情况,以每年翻番的速度增长。

近几年石墨烯的文章SCI收录情况

近几年石墨烯的文章SCI收录情况

早在1999年,Lu等就用氧等离子刻蚀,在以SiO2为基底的高定向热裂解石墨上刻蚀出了厚度约为200nm的石墨层。G.Chen等采用超声波粉碎经过酸插层的膨胀石墨,首次大量制备出厚度几十纳米的纳米石墨微片。Liu等首次报道了用水合联氨还原聚苯胺插层氧化石墨化合物,还原后化合物的导电性增加了1个数量级。2005年Srivastava等采用微波增强化学气相沉积法,在Ni包裹的Si衬底上生长出了20nm左右厚度的“花瓣状”的石墨片,并研究了微波功率大小对石墨片形貌的影响。2006年Niyogi等研究了用十八胺对氧化石墨表面进行改性,制得长链烷基改性石墨。Li等在Stankovich等研究的基础上,利用还原氧化石墨的方法在没有任何化学稳定剂的情况下,通过控制石墨层间的静电力,制备出了在水中稳定分散的石墨烯溶液。2007年,Zhu等通过调整合成碳纳米管的参数,在没有催化剂的情况下用电感耦合频射等离子体化学气相沉积法在多种衬底上生长出了纳米石墨微片。这种纳米薄膜垂直生长在衬底上,类似于Srivastava等的“花瓣状”纳米片。

2006年,Heer等首次将SiC置于高真空,1300℃下,使SiC薄膜中的Si原子蒸发出来,生成连续的二维石墨烯薄膜。这种方法制备出来的二维石墨烯薄膜厚度仅为1-2碳原子层。

2008年,Konstantin V. Emtsev等人在Ar气保护氛围下将SiC进行高温退火,相对Heer等真空退火的方法,制得的石墨烯薄膜的均匀性及质量都大大改善。

许多发达国家都对石墨烯的研究投入了大量的人力和财力。美国近年来对石墨烯的经费投入非常巨大,大大推动了他们在该方面的科学进展。在匹兹堡举行的美国物理学会年会上,石墨烯是科学家们谈论的主要话题。研究人员用23场讨论分会探讨有关这种材料的问题。

韩国科学家在制备大尺寸、高质量的石墨烯薄膜方面取得了突破性进展。根据《Nature》报道,韩国研究人员近日发现了一种制备大尺寸石墨烯薄膜的方法。这种石墨烯薄膜不仅具备高硬度和高拉伸强度,其电学特性也是现有材料中最好的,这些单原子层厚的碳薄片是非常有前途的材料。可惜这种材料是在金属衬底上制备的,不适合做微波高频器件。

2011年,美国宾夕法尼亚大学研制出100mm直径的石墨烯晶片。

2011年初,美国普渡大学研制出SiC上石墨烯材料的迁移率为18700cm2V-1s-1

2008年3月,IBM沃森研究中心的科学家在世界上率先制成了基于SiC衬底的低噪声石墨烯晶体管。普通的纳米器件随着尺寸的减小,被称做1/f的噪音会越来越明显,使器件信噪比恶化。这种现象就是“豪格规则(Hooge's law)”,石墨烯、碳纳米管以及硅材料都会产生该现象。因此,如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM通过重叠两层石墨烯,试制成功了晶体管。由于两层石墨烯之间生成了强电子结合,从而控制了1/f噪音。IBM华裔研究人员林育明的该发现证明,两层石墨烯有望应用于各种各样的领域。

IBM采用双层石墨烯结构降低器件噪声

IBM采用双层石墨烯结构降低器件噪声

2008年6月底,日本东北大学电通信所末光真希教授将SiC在真空条件下加热至1000多度,除去硅而余下碳,通过自组形式形成单层石墨烯。末光教授的团队通过控制SiC形成时的结晶方向和Si衬底切割的结晶方向,得到了100×150平方微米面积的两层石墨膜,其晶格畸变率仅为1.7%。其他科研团队利用传统方法的晶格畸变率为20%,因而不能制成可实际应用的器件。

2009年5月,HRL实验室宣称在高质量2英寸石墨烯薄膜及其射频场效应晶体管方面取得了突破,下图显示了器件的结构和电子输运特性。HRL资深科学家Jeong-Sun Moon表示,该器件拥有全球最高的场迁移率,约6000cm2/Vs,是现阶段最先进硅基n-MOSFET的6-8倍。他们使用Aixtron的VP508 CVD反应设备,通过从6H-SiC晶体中升华硅的方法,成功制成了石墨烯薄膜。之后使用标准的光刻胶工艺和氧反应离子刻蚀技术制备了晶体管。源极和漏极接触是钛、铂和金的合金,使用原子层沉积技术制备20nm厚的氧化铝栅电介质,事实上这样做捕获了界面电荷,可能会导致器件性能下降。

HRL实验室在2英寸石墨烯薄膜上的射频场效应晶体管

HRL实验室在2英寸石墨烯薄膜上的射频场效应晶体管

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