【IT产品的未来硅时代的后继选手:石墨烯】it行业

　　有这样种材料，它和我们常见的材料结构不太相同。它是二维的，只有正反两面，分子结构单，全部由一种物质组成。虽然单一，但却不凡。这种材料的强度是迄今为止人类发现的最高强度材料之一，导电特性更是令人惊讶，甚至比任何常温下的金属导电能力都要出色。除此之外，它的高频率性能也很出色，由它制造出来的元件能达到300GHz的超高频率。它似乎天生就是为IT产品而生，它就是本期的主角：石墨烯。
　　烯是指“碳－碳双键”，这个词语最常出现在有机化学中。但近年来随着材料学研究的突破，“烯”就开始频繁出现在业内人士眼中――其中最为火爆的就是石墨烯。那么，这究竟是一种什么物质，它究竟有怎样的特性，能给我们的IT生活带来多大的改变呢?
　　
　　二维物质，不凡的性能
　　
　　从几何学角度来看，我们周围绝大部分物质的分子或者原子排列结构都是三维空间的。最常见的硅晶体是网状三维结构，其他的一些常见的化合物或者材料也是三维空间结构。那么，是否存在二维结构的物质?
　　之前科学家们几乎一致认为不存在纯粹二维结构的物质，这种理论甚至成为一时间的主流思维，但随后的一些发现却逐渐打破了这种说法。早在1948年，一些科学家就通过穿透式电子显微镜拍摄到了几层石墨烯的照片，当时有人认为这是一种全新的二维材料，但苦于分离困难等问题，―直无法分离出纯粹的单张石墨烯，自然也无从研究和证明其性能。这种情况―直持续到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈・海姆和康斯坦丁’诺沃肖洛夫通过特殊手段成功分离出了这种二维结构的物质，第一次为人类带来这种奇妙的二维物质，这两位科学家也由此在2010年斩获诺贝尔物理学奖，登上了科学的巅峰。
　　石墨烯为什么有这么大的魅力呢?首先就是它的结构。石墨烯在微观结构上，是碳做顶点的六边形蜂巢状平面结构，是纯粹的二维物质。每一张石墨烯的厚度都只有一个碳原子那么厚。正是由于其特殊结构，石墨烯展现出非常强大的性能。其次，石墨烯的“碳一碳键”性能极为稳定，强度很高，再加上平面六边形结构稳定性也很好，因此在遭受外力拉扯和挤压的时候，石墨烯能够利用自身变形抵消部分应力，并且在稳定范围内保证本身结构不被破坏。石墨烯是目前发现的单位强度最强的物质之一，这令其在一些受力结构中能得到广泛应用。第三，由于石墨烯平面排布的特性，令其拥有卓越的导电能力，在石墨烯中运动的电子速度达到了光速的1／300，远远超过了在金属导体中运行的电子速度。第四，单层石墨烯很薄，透光率高达97％，在触摸屏等应用方面也有良好的前景，其他诸如超大容量电容等，也可以看到石墨烯的应用。
　　目前来看，石墨烯依旧是一种全新物质，对于它的特性和材料结构等研究，依旧是科学家们研究的重点。不过就现在的研究结果来看，石墨烯有希望带来下一次IT技术的更替，成为推动IT技术向前发展的新动力。
　　
　　石墨烯的应用：超级特性推动信息技术
　　
　　一种新材料诞生后，对它的应用研究在实验室中已经同步开始了。不过这种材料想要在实际生活中形成工业化生产的规模，还有很长的路要走，其中最主要的问题就是成本和大规模生产的便利性。对石墨烯来说，原材料成本并不高，目前主要使用石墨制造。但怎么从石墨中剥离出完整的石墨烯并将其加以应用，暂时还没有太好的手段。一直以来，科学家们都在致力于生产足够大面积的、足够少缺陷的成品石墨烯。早期科学家只能生产直径大约在1cm－10cm左右的石墨烯用于研究。随着技术进步，这个数据已经提升到76cm左右(约合30英寸)。在这种情况下，科学家已经可以开展一些对精度要求不高的研究了。因此，近年来科学家对石墨烯的产业化和产品化的研究速度相当快。
　　从已经提出的技术来看，石墨烯将可能主要给下列产业带来重大变革：
　　1、硅芯片制造、超高频率芯片、超大容量电容等元器件
　　2、电池和太阳能面板
　　3、OLED面板发展
　　4、触摸面板
　　当然，石墨烯的应用范围远远比我们所表述和所举的范围大得多。并且随着研究的进一步发展，石墨烯的一些特性将被继续深挖，还有更为令人惊喜的应用出现。本文主要介绍一些已经有基本雏形的研究成果或者商业化、工业化比较看好的应用，这并不代表石墨烯所有的潜力。
　　石墨烯给硅芯片带来高速革命
　　如果告诉你，未来CPU将可能运行在THz的级别，你会不会感到惊讶?回想―下第一颗1GHz CPU诞生到现在，CPU的主频也就提升了3倍左右(目前高端CPU的主频在3GHz出头)。而新加入了石墨烯材料的晶体管将比这个更新速度还要快百倍甚至千倍。从材料特性来看，由于石墨烯出色的导电能力和快速的电子迁移能力，因此将其应用在芯片制造中(特别是片上互联层)肯定会大幅度提高芯片性能，特别是频率特性。
　　目前有多家科学机构在研制石墨烯晶体管的产品，其中起步比较早的是IBM。由IBM研制、采用石墨烯材料的晶体管的运行频率最高可达230GHz，远远超过目前2GHZ--3GHz的主流频率。根据IBM的研究资料，在1450℃下，IBM在2英寸的碳化硅晶圆上形成1层～2层石墨烯。然后再在晶圆上方制造晶体管所需要的其他部分，比如源电极、漏电极、绝缘层以及栅极等，最终晶体管可以以几十到几百GHz的频率运行。不过这还不是极限，加州大学洛杉矶分校也开发了运行频率高达300GHz的样品，其他一些研究机构也宣布自己将推出运行频率高达500GHz、应用了石墨烯材料的晶体管产品。
　　由于石墨烯高频率性能几乎无限，因此目前一些产品所展示的上百GHz的性能仅仅代表了石墨烯性能冰山的一角，还远远不是全部。很多科学家都估计，在未来石墨烯技术进一步发展后，晶体管的运行频率会进一步提升到THz以上――目前全部采用硅材料的晶体管在10GHz左右就可能遇到瓶颈，即使进一步改进也很难得到如此大的提升。显然石墨烯晶体管一开始就以上百GHz的速度展示在人们眼前，几乎称得上是历史性的跨越，而且未来还可能出现THz级别的产品。
　　在频率大幅度提升后，这些晶体管可以利用光互联技术来传递数据，光传输数据比传统电子传输数据的速度更快，数据量更大。由于之前―直很难找到可以匹配高频率电磁波的晶体管，因此一些光信号传递技术一直被搁置。石墨烯材料的晶体管的加入，让这些技术又看到了发展应用的前景。
　　不过，上述改进都基于晶体管的传输层，也就是利用石墨烯的高导电特性改进晶体管在传输电信号时的性能。是否有更直接的方法呢，能不能直接用石墨烯制造半导体呢?从材料本质来说，石墨烯并非半导体。但这也难不倒科学家们，理论上说，如果需要将一种不是半导体的物质改造为可供半导体电路直接使用的元器件，需要为电子打开一个可供跳跃的能隙。只要拥有可以跳跃的能隙后，电子就可以按照需要移动，而石墨烯就可以用于制造半导体，成为计算机计算开 关的重要组成部分。在这个领域的研究上，IBM展示了他们“双门双层”的石墨烯结构，这种结构能够开启13eV的能隙。而另一家大学实验室则利用水蒸汽开启T2eV的能隙，并且利用湿度还可以自由控制能隙的能级。上述对石墨烯结构的改进，为石墨烯直接作为半导体的应用打开了曙光之门。
　　当然，石墨烯在晶体管方面的应用还不止于此。一些消息表明科学家们正考虑利用石墨烯制造超高密度非易失性存储器，不过这些研究目前尚未有足够多的成果展示。就目前所知，这些存储器单个单位只有几个原子的大小，井且还可以继续缩小――只要数据引线可队做到足够细。石墨烯的这种特性可以使用在未来大容量、小体积、高速度和低能耗的存储设备上。
　　在电子元器件方面，石墨烯凭借良好的导电性能和极大的比表面积(比表面积表示单位质量物体具备的总面积，分外表面积、内表面积两类，每克石墨烯的比表面积高达2600平方米－2700平方米，在所有现有导电材料中首屈一指)，有望在高容量电容方面获得突破性进展。可以预见的是，未来石墨烯材料应用成熟后将直接改变目前硅基芯片的格局，为信息技术发展装上一个超级推进器，极大地提升芯片的处理能力和信息传递速度。
　　石墨烯改变能量存储和生产
　　电池的容量和充电速度是―对矛盾体，大容量电池意味着较长的充电时间。实际上如果充电时间缩短到足够短，比如10分钟左右，很多由于续航时间不足而导致无法全天移动办公的情况都不再成为问题。在这一点上，石墨烯有望改变这种情况。
　　美国普林斯顿大学的一项研究表明，采用石墨烯电极的锂电池，充电时间会大大缩短。一些原本需要2小时才能充满的电池只需要lO分钟就可以完成充电过程。这项技术的原理和细节目前暂未公开，但其主要方法是使用超薄的石墨烯薄片来组装电池的电极，利用石墨烯强悍的电流传输能力来加快电流的传输速度。这种技术的成本不高，推广应用后将给移动设备的应用方式带来巨大改变。
　　改进电池的电极是一方面，另一方面是应用石墨烯巨大的比表面积。电池对比表面积非常敏感，比表面积越大，则化学反应速度和材料利用率就越高。目前电池受限于材料提高比表面积还比较困难，而这又制约了电池容量进一步上升。如果石墨烯得到了有效应用，电池容量将得到质的提升。再结合之前的快速充电技术，收益的不仅仅是目前的手机、笔记本电脑等设备，还有充电汽车、充电自行车等都将得进一步的实用化发展。
　　除了电池外，在太阳能电池板中石墨烯也有可能大展身手。目前的太阳能电池对光转换频段较窄，而一些新的技术正在开发针对红外线光电转换的太阳能电池板。不过目前很多导电膜对红外线来说透明度很低，因此这项技术也处于“卡壳”状态。但石墨烯的出现，使得可以利用红外线的太阳能电池大规模生产成为可能。石墨烯对红外线透过率极高，可以成为最佳的太阳能电池导电膜。相比目前的太阳能电池，应用石墨烯做导电膜的太阳能电池的性能会得到极大提于卜。从目前的研发进展来看，石墨烯在太阳能电池上的应用是最接近实用化的应用之一。
　　 　 石墨烯给柔性OLED带来新曙光
　　OLED全称是“Organic Light Emitting Display”，也就是有机柔性显示器。目前，超薄、柔性显示器的研究是业内的热点。如果OLED发展顺利，目前我们所使用的LCD显示器将可能被淘汰。不过OLED除了自身寿命、发光亮度等问题尚需进一步解决外，在控制每一个OLED像素的透明电极上也出现了一定问题。
　　OLED目前使用的透明电极是氧化铟锡(indium tin oxide，简称为ITO)，这种电极采用稀有金属，成本高昂且提炼困难，并且它也是阻止OLED进一步薄型化的桎梏。一直以来，科学家都在寻找ITO的替代品，但没有成功。不过随着石墨烯应用开发的深入，研究者们能使用特殊的生产技术，利用高透光、高导电性的石墨烯替代昂贵的ITO控制每个OLED像素，这样在控制电极上成本可以降低至原来的百分之一，并且更薄、更透明，柔软性也更好。
　　在技术难度上，目前的问题依旧是如何得到大量可供生产的石墨烯材料，而石墨烯和OLED的结合已经基本成熟。比如目前史丹佛大学的研究团队就宣称已经成功开发出一种低成本的，以溶液为基础的旋转涂布(spin-coating)分布式技术，利用这项技术可以使得石墨烯在OLED中的应用变得较为简单并容易生产总体而言，石墨烯在OLED上的应用成熟度相当高，也是目前最接近实用化的石墨烯应用之一。
　　
　　石墨烯让触摸面板更大、更好用
　　
　　目前在石墨烯的应用中，对精度要求不高的应用比较容易获得成功。除了上述的OLED外，在触摸面板的应用中石墨烯也有用武之地。
　　触摸面板和上文提到的OLED很类似，都需要大规模、超薄和高透光导电材料的介入。目前的触摸面板依旧采用传统的技术，无法制造柔性触摸面板。而石墨烯的引入，在成本很低的情况下，进一步加强了触摸面板的适用范围和性能表现，甚至可以制造柔软的触摸面板，这在未来的电子纸发展上是相当有利的。
　　不过石墨烯在触摸面板上的应用还存在一些技术难题。其中最主要的依旧是大面积石墨烯材料的生产，另外对石墨烯材料的处理、掺杂等也成为研究重点。目前在这方面较为领先的三星，已经开始试制使用采用石墨烯的大屏幕触摸设备了。
　　
　　石墨烯：未来科技爆发的曙光
　　
　　材料作为科技发展的最根本基础，在很大程度上决定了技术能够走多远。从目前的情况来看，人们熟悉的硅材料以及稀有金属材料，在材料本身性能和成本上已经渐渐难以满足人们的需求了，更难以引领未来的技术潮流。在这种情况下，以石墨烯为代表的碳家族走入人们的视野，包括石墨烯、碳纳米管以及富勒烯等全部由碳组成的新材料，给未来电子新兴技术的发展打了一剂强心针，而科学家又利用这些新材料的强大特性，充分挖掘其性能，带来了下一轮科技发展大爆发的新希望。
　　石墨烯的应用范围相当广泛，只要解决了生产和制造的难题(实际上目前已经有很多方案在发展中)，它的优势和应用是无可匹敌的。我们还依稀记得当半导体被发现、应用以及后来集成电路飞速发展的轨迹，而目前的石墨烯有望复制这种轨迹。尽管它还在早期被发现的阶段，它还有很长一段路要走，但未来它必将大有可为!