石墨烯新材料详解（石墨烯被誉为新材料之王）

于庆凯，材料科学家，中科院上海微系统与信息技术所石墨烯作为一种纳米材料经常出现在新闻里，它被媒体鼓吹为“新材料之王”，这是言过其实？还是确有其事？看上去，这种“新材料”与我们的距离非常遥远。而实际上，它早已出现在生活之中，只是没被察觉罢了。

迄今为止，石墨烯是人类已知的强度最大的材料。也是世界上电阻率最小的材料。由于以上特性，石墨烯成为了一种良好的导体，能够用来制作光板、太阳能电池及透明触控屏幕等具有高科技含量的产品。还能减少噪音，进行电子基因测序等。

什么是石墨烯材料？

石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

自从石墨烯在2003年被发现以来，研究者发现它具有优异的强度、导热性和导电性。最后一种性质使得这种材料非常适合用来制作电路中的微小接触点，但最理想是用石墨烯自己制成电子元件——特别是晶体管。

要做到这点，石墨烯不仅需要充当导体，也要有半导体的功能，这是电子元件需要进行的通断切换操作的关键。半导体由其带隙所定义的，带隙指的是激发一个电子，让它从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量。带隙必须足够大，这样来使得晶体管开和关之间的状态才对比明显，这样它才能准确无误地处理信息。

常规的石墨烯是没有带隙的——它特殊的波纹状价带和导带实际上是连在一起的，这使得它更像是金属。尽管如此，科学家们试图分开这两个带。通过把石墨烯制造成奇特的形状，如带状，目前最高可以让带隙达到100meV，但这对电子工程应用来说还是太小了。

相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能，通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴，研发周期也更短(微结构研发一般要3年)，更适合商业推广。

硅基材料集成电路主频越高，热量也随之提高，并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G，日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G，笔记本电脑为了控制CPU功耗，主频普遍控制在2G到3G之间。

但如果使用石墨烯材料，那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子迁移率，同时具有非常好的导热性能，芯片的主频理论上可以达到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前，IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。

因此，在前端设计水平相当的情况下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍，随着技术发展，进一步挖掘潜力，性能可能会是传统硅基芯片的上百倍！同时还拥有更低的功耗。

神奇的材料之王？

石墨烯的发现者之一、2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆这样描述：“石墨烯对很多人来说就像爱丽丝仙境一样，非常神奇。”

这种神奇物质到底是什么？

石墨烯，实际就是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。铅笔芯用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起。

“它是迄今为止自然界最薄、强度最高的材料，可以被无限拉伸，弯曲到很大程度而不断裂，还可抵抗很大的压力。”安德烈·海姆介绍。

此外，它还有着非同寻常的导热性和导电性。据悉，石墨烯是世界上最导电的材料之一，大约百分之一的石墨烯混添加到塑料中就可以将它们变成导体。重量也极轻，同样厚度是钢强度的200倍，却可以以100万米/秒的速度传输电子。石墨烯既可以作为导体材料，又可以作为半导体材料。它是已知物体中室温导电率最高的材料，比最好的导体金属如金或铜高出几个数量级。

“石墨烯导电率高，化学结构又十分稳定，是一种用于移动电池、电源很理想的电极材料。”中国科学院院士、中国科学院金属研究所研究员成会明表示，石墨烯可以和电子元件、电子设备进一步结合使用，以此提高其他储电设备的储电率。