我国在芯片领域开辟的石墨烯新赛道,目前进展如何?

石墨烯是一种由碳原子组成的六角形,呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯是已知强度最高的材料之一,不仅如此,它还具有量子霍尔效应、热传导性、良好的光学特性等物理特性,同时还...


石墨烯是一种由碳原子组成的六角形,呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯是已知强度最高的材料之一,不仅如此,它还具有量子霍尔效应、热传导性、良好的光学特性等物理特性,同时还具有生物相容性、氧化还原性等化学特性,被称为最伟大的材料,正因为石墨烯有着如此多的优良特性,所以被称之为21世纪的工业之母。

事实上,石墨烯是一种性质非常特殊的新型材料,它仅由一层分子构成,厚度不到1纳米,但却拥有非常高的强度,是目前人类发现的强度最高的材料之一,它的硬度远超现在最硬的钢材,可以被用来制造高强度复合材料。

而且它还拥有非常优良的导电性和半导体特性,石墨烯的导电能力能够将电磁延迟时间缩短几百上千倍,所以它能够用来制造更加先进的半导体芯片--即石墨烯芯片(碳基芯片)。

在当前硅基芯片工艺逐渐接近极限时,中国芯片行业希望通过研发出先进的石墨烯芯片技术替代硅基芯片,从而解决硅基性能极限的问题。石墨烯芯片的性能将比硅基芯片提升10倍,而功耗却比硅基芯片低得多。

科学家在分析钻石等同素异形体后,得出了一个猜想--1厘米厚的石墨是由1500万层碳原子堆叠而成的,然而在过去的几十年来里,科学家用尽了各种手段都无法分离出单层石墨。不过这一猜想最终被安德烈和康斯坦丁这两位俄裔科学家所证实了,他们二人也因发现石墨烯这一超级材料,而荣获诺贝尔物理奖。

他们将一块石墨薄片在两面都贴上胶带,然后一拉,薄片就被撕开变成了两半,就这样循环往复,他们最终撕出了单层的碳原子,经过测试,结果令人感到震惊--它是人类已知最薄的材料,仅有0.35纳米厚。

它也是人类已知强度最高的物质,比钢铁高200倍,同时,它还能承受拉伸和弯曲,这就意味着石墨烯可以替代现有的高强度材料,用来制造防弹衣、汽车、飞机,如果用来制成人们日常生活中的包装袋,它可以承受2吨重的物品。

中国进入石墨烯领域虽然比美国晚了20年,然而却成功实现了弯道超车。这令美国人感到十分震惊,美国专家直言:美国发展了30年的技术,被中国10年时间超越!

众所周知,美国在全球半导体领域一直处于领先地位,也是最先开始研发石墨烯技术的国家。然而耗费了30年的时间,美国却在这一领域毫无建树,始终未能取得任何成果。而中国仅用了10年时间,就率先在石墨烯材料上取得了突破。

我国的这项重大科技突破归功于一位年轻的天才科学家--曹原,他在20多岁时就发现了石墨烯的超导电性和量子特性,并且制备出了石墨烯材料,并因此获得了2021年青年物理学家的最高奖。

中国为什么制造不出高端光刻机?实际上并非技术问题,归根结底就是材料问题,而在传统的硅基材料已经面临发展瓶颈的情况下,中国要在芯片竞争中赢得优势,就必须开辟新赛道,用新材料取而代之。

目前,我国在石墨烯材料领域已经取得了全球领先优势,具体体现在以下几个方面:

一、中国石墨烯技术专利申请量遥遥领先,占全球68%

统计数据显示,全球石墨烯第一大技术来源国为中国,中国石墨烯专利申请量占全球石墨烯专利申请总量的68%,位于第二的美国占比为12%,日本和韩国虽然排名第三和第四,但与排名第一的中国差距较大,属于全球竞争中的第二梯队。

从专利申请发展趋势来看,2010-2020年,美国石墨烯专利申请数量相对领先,但是在2013年之后被中国反超。2020年,中国石墨烯专利申请量为16129项,而美国的申请量却下降为859项。

排名第三的韩国,石墨烯专利申请量为486项,排名第四的日本,石墨烯专利申请量为210项。

在全球石墨烯研究机构中,中国研究机构和公司的占比达到60%以上,由于受到专利保护,其他国家的科学家虽然可以利用中国的石墨烯专利技术研发实验性的产品,但却不能将产品投入大规模商业化生产,除非向中国缴纳高昂的专利使用费后,方能使用。而中国本土公司和研究机构却可以获得低价的专利授权,生产相关的石墨烯产品。

二、成功研制出石墨烯晶体

中科院研究组已经研制出了8英寸石墨烯单晶片,无论在尺寸上,还是在质量上都在全球处于遥遥领先的地位,至少领先美国5年。尽管世界各国都在研发石墨烯产品,但目前只有中国能够生产8英寸石墨硅片。由此可见,凭借这项先进的制造技术,中国已经在石墨烯领域实现了对发达国家的弯道超车。

三、发现了合成石墨烯的新方法,降低了成本,减少了制造环节,为大规模工业化生产创造了条件

中国科技大学专家团队已经找到了合成石墨烯的新方法,就是利用磁分散电弧产生大面积均匀热等离子体合成石墨烯。这种新方法直接改变了过去石墨烯制造过程中的高耗能、低产出的问题。

科技大研发出的新方法,成功地解决了石墨烯受热不均的问题,这一方法有望使石墨烯的量产成为可能。

石墨烯单元的研发,成功打破了美国在半导体领域的技术垄断,而用石墨烯材所制成的碳基芯片的性能将是硅基芯片的1000倍以上,而且碳基芯片的制造是不需要光刻机的,这就意味着我国的芯片制造,将摆脱对荷兰ASML光刻机的依赖,在芯片领域重新开辟了一条新赛道,并成为赛道的领跑者。

石墨烯材料的的应用前景非常广阔,除了芯片外,它还可以用于导热材料、电池、传感器、生物器件以及海水淡化等许多领域,尤其是在军事领域,它可以用在当今科技含量最高的太赫兹雷达之中,能够监测到隐形战机,使得隐形战机无处遁形,有助于我国掌握未来空战的主动权。

石墨烯还可以用来制作飞机、航天器等高端产品,石墨烯材料用来制成飞机的防护板,可以减轻飞机自身重量并,为飞行员提供最好的安全保障,目前我国的国产大飞机C919、武直10的防护板技术都是用我国研发的石墨烯复合材料制成的。

一直以来,在飞机制造过程中,如何解决刚度和质量的问题,始终是科学家们遇到的头号难题,而石墨烯材料的出现,让人们看到了飞机轻量化和刚度兼得的广阔前景。由于石墨烯的超薄、导电性强的特点,使用它能够生产出携带更多弹药和燃料的战斗机、轰炸机以及更轻便安全的防弹衣。

借助石墨烯,我们可以研发出超级电池,在同等体积下,它能够储存的电量是传统电池的数倍,充电速度也非常快,仅需几秒钟。

此外,石墨烯的网状结构使它具备了良好的过滤能力,如果把海水倒进石墨烯滤网,盐分将会被挂在网上,而水会从孔洞中流过,这样就达到了海水淡化的目的。

结语

虽然我国已经在石墨烯材料领域占据了领先地位,但是目前石墨烯芯片还只能实现小规模量产,在性能上也需要进一步完善,技术上还不是很成熟,距离大规模量产和商用仍需一定时间,因此还需要继续努力,进一步扩大领先优势。

正如人们所形容的,19世纪是钢铁时代,20世纪是硅时代,21世纪是碳时代,同时也是芯片时代。令人感到欣慰和自豪的是,中国在这一科技制高点的竞争中,已经取得了令世界各国羡慕的领先优势。

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