“神奇材料”石墨烯（一）：進(jìn)入實(shí)用化競爭階段，應(yīng)用例不斷出現(xiàn)
2010年的諾貝爾物理學(xué)獎由成功分離石墨烯的研究人員獲得。石墨烯具備很多超越單層石墨的特殊性質(zhì)。旨在應(yīng)用石墨烯的研發(fā)機(jī)會也在全球范圍內(nèi)急劇增加。石墨烯或?qū)⒊蔀榭蓪?shí)現(xiàn)高速晶體管、高靈敏度傳感器、激光器、觸摸面板、蓄電池及高效太陽能電池等多種新一代器件的核心材料。
石墨烯的出現(xiàn)，有望從構(gòu)造材料到用于電子器件的功能性材料等廣泛領(lǐng)域引發(fā)材料革命。
能夠承載汽車的吊床
單層石墨烯的厚度非常薄，只有一個(gè)碳原子厚，約為0.34nm。但強(qiáng)度卻與金剛石相當(dāng)，非常堅(jiān)硬。瑞典皇家科學(xué)院（Royal Swedish Academy of Sciences）在發(fā)表2010年物理學(xué)獎時(shí)曾這樣比喻其強(qiáng)度，“利用單層石墨烯制作的吊床可以承載一只4kg的兔子”。還有估算顯示，如果重疊石墨烯薄片，使其厚度與食品保鮮膜相同的話，便可承載2噸重的汽車。
石墨烯用作電子器件材料會帶來更大效果。單層石墨烯中的電子與空穴（Hole）載流子遷移率有望在室溫下最大達(dá)到硅（Si）的100倍即20萬cm2/Vs。這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往被認(rèn)為載流子遷移率最大為7.7萬cm2/Vs的銻化銦（InSb）。而石墨烯室溫下的電阻值卻只有銅（Cu）的2/3。人們還發(fā)現(xiàn)，石墨烯可耐受1億～2億A/cm2的電流密度，這是銅耐受量的100倍左右。載流子遷移速度很快，可達(dá)到光的1/300。傳熱率與金剛石相當(dāng)，再加上其薄片形狀，所以石墨烯作為劃時(shí)代的散熱材料備受期待。
有望實(shí)現(xiàn)超高速FET及激光器
許多研究機(jī)構(gòu)及廠商已開始以具備多項(xiàng)穿透特性的單層石墨烯為對象，研發(fā)新一代器件的實(shí)用化（圖2）。主要開發(fā)對象之一是利用石墨烯的高載流子遷移率及高遷移速度制作的THz頻率的晶體管。理論上估計(jì)其工作頻率可達(dá)到10THz。
美國IBM與韓國三星尖端技術(shù)研究所（SAIT）分別在2010年12月舉行的半導(dǎo)體制造技術(shù)相關(guān)國際會議“2010 IEEE International ElectronDevices Meeting（IEDM 2010）”上發(fā)布了通道層使用石墨烯的高速動作型RF電路用FET（電場效應(yīng)晶體管）。IBM的石墨烯FET的最大截止頻率高達(dá)240GHz。另外，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）已于2010年9月發(fā)布截止頻率達(dá)到300GHz的石墨烯FET。
要超越截止頻率達(dá)到600GHz以上的化合物半導(dǎo)體HEMT（高電子遷移率晶體管），兩公司發(fā)布的石墨烯FET的性能還無法充分滿足要求。不過，IBM的石墨烯FET的截止頻率提高得很快，2008年12月只有26GHz，2009年6月達(dá)到50GHz，2010年2月提高至100GHz，此次則達(dá)到了240GHz。在不久的將來，石墨烯FET的性能很可能會達(dá)到甚至超過HEMT的同等水平。
石墨烯還能用來制造激光元件。日本東北大學(xué)電氣通信研究所教授尾辻泰一的研究小組，目前正以利用石墨烯開發(fā)超高輸出功率的超短脈沖激光元件為目標(biāo)推進(jìn)相關(guān)研究。據(jù)該大學(xué)介紹，其關(guān)注點(diǎn)是，石墨烯采用電子與正孔對稱的能帶構(gòu)造，而且具備容易實(shí)現(xiàn)較大載流子密度的性質(zhì)。
優(yōu)先推進(jìn)微細(xì)化
不過，目前已實(shí)用化的絕大部分石墨烯FET為放大器及高靈敏度氣體傳感器元件等RF電路用FET。邏輯電路用FET尚未面世。這是因?yàn)閱螌邮]有帶隙（Band Gap）。沒有帶隙的話，就無法充分實(shí)現(xiàn)邏輯電路必須的晶體管“關(guān)斷（Switch Off）”功能。但最近解決這一問題的線索開始浮出水面。
日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)國際納米結(jié)構(gòu)研究基地主任研究員塚越一仁，為了將石墨烯FET用作邏輯電路，目前正在研究打開帶隙的條件。塚越表示，“如果硅也能進(jìn)一步微細(xì)化，那么通道層最終會實(shí)現(xiàn)單個(gè)原子的厚度。盡管還不清楚是什么原子，但原子薄片——石墨烯的研究成果屆時(shí)會成為重要的參考依據(jù)”。
觸摸面板試制品不斷面世
除了高速高靈敏度器件之外，透明導(dǎo)電膜也是最接近實(shí)用化的的應(yīng)用例。設(shè)想作為目前普遍使用的ITO的替代材料，用于觸摸面板、柔性液晶面板、太陽能電池及有機(jī)EL照明等。試制品也接二連三地面世。
透明導(dǎo)電膜這一用途備受期待的原因在于，石墨烯具備較高的載流子遷移率且厚度較薄。一般來說，高透明性與高導(dǎo)電性是互為相反的性質(zhì)。從這一點(diǎn)來看，ITO正好處在透明性與導(dǎo)電性微妙的此消彼長（Trade-off）關(guān)系的邊緣線上（圖3）。這也是超越ITO的替代材料遲遲沒有出現(xiàn)的原因。
石墨烯在理論上有望避開這種此消彼長的關(guān)系成為理想的透明導(dǎo)電膜。其原因是，由于載流子遷移率非常高，即使載流子密度較低，導(dǎo)電性也不容易下降。而載流子密度較低的話，會比較容易穿過更大波長范圍的光。相當(dāng)于單個(gè)原子的超薄厚度同樣有助于提高透明性。不僅是可見光，石墨烯還可透過大部分紅外線，這一性質(zhì)目前已為人所知。
因此，對于還希望利用紅外線來發(fā)電的太陽能電池而言，石墨烯有望成為劃時(shí)代的透明導(dǎo)電膜。與不適于彎曲的ITO相比，還具備柔性較高的優(yōu)勢。
不過，透明導(dǎo)電膜目前還存在很多問題。由于制作大面積石墨烯時(shí)會混入很多雜質(zhì)及缺陷，因此大多數(shù)試制品的導(dǎo)電性及透明性都未達(dá)到ITO的水平（圖4）。
即便如此，石墨烯仍有望用來制作觸摸面板。（未完待續(xù)，記者：野澤 哲生）
