中國儲能網(wǎng)訊：碳科學一直是科學界研究的重點。石墨烯更是早已成為物理學界研究的前沿課題。自從2010年諾貝爾物理學獎引發(fā)了石墨烯瘋狂，科技行業(yè)對石墨烯的研究與關(guān)注就從未停止。
日前，北京大學、美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學和中科院上海技術(shù)物理研究所的科學家組成國際科研團隊，通過理論計算，推算出一種能夠在常溫常壓下保持金屬形態(tài)的三維碳，并于美國《國家科學院院刊》在線發(fā)表了相關(guān)論文。該項研究或?qū)⒔议_“是否存在于常溫常壓下保持金屬形態(tài)的碳”之謎。那么，作為一直被熱炒的對象、號稱神奇之碳的石墨烯，它的研究又取得了哪些進展呢？今天，OFweek電子工程網(wǎng)小編就帶大家來看看。
石墨烯無縫集成電路架構(gòu) 噪聲容限更高、靜態(tài)功耗更低
美國科學家研制出了一種新的集成電路架構(gòu)并做出了模型。在這一架構(gòu)內(nèi)，晶體管和互連設(shè)備無縫地結(jié)合在一塊石墨烯薄片上。發(fā)表在《應用物理快報》雜志上的這項最新研究將有助于科學家們制造出能效超高的柔性透明電子設(shè)備。
目前，用來制造晶體管和互聯(lián)設(shè)備的都是大塊材料，因此很難讓集成電路變得更小，而且大塊材料也容易導致晶體管和互聯(lián)設(shè)備之間的“接觸電阻”變大，而這兩方面都會降低晶體管和互聯(lián)設(shè)備的性能并增加能耗。基于石墨烯的晶體管和互連設(shè)備極具前景，有望解決這些基本問題。
該研究的領(lǐng)導者、加州大學圣巴巴拉分校(UCSB)電子和計算機工程系教授、納米電子設(shè)備研究實驗室主任高斯塔夫˙巴納吉表示：“石墨烯除了是目前最纖薄的材料之外，其還具有一個可調(diào)諧的帶隙。狹窄的石墨烯帶能被用來制造半導體;而寬的石墨烯帶是金屬。不同的石墨烯帶可以制成不同的設(shè)備，制成的設(shè)備可以無縫地結(jié)合在一起，這樣也可以降低接觸電阻?！?
在實驗中，巴納吉研究團隊使用非平衡格林函數(shù)(NEGF)來對包含有如此多異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜電路架構(gòu)的性能進行評估，并研究出了一種方法，設(shè)計出了這種“全石墨烯”的邏輯電路。該研究的合作者康家豪(音譯)表示：“對電子通過由不同類型的石墨烯納米帶制造的設(shè)備和互連設(shè)備的情況以及跨過其接口的情況進行精確的評估是我們的電路設(shè)計成功并達到最優(yōu)化的關(guān)鍵?！?
石墨烯研究領(lǐng)域的大咖、哥倫比亞大學的物理學教授菲利普˙吉姆表示：“這項研究通過使用一種全石墨烯的設(shè)備——互聯(lián)架構(gòu)，為傳統(tǒng)集成電路會遇到的接觸電阻問題提供了一種解決辦法，這將顯著簡化基于石墨烯的納米電子設(shè)備的集成電路構(gòu)建過程?！?
結(jié)果表明，與目前的集成電路技術(shù)相比，新的全石墨烯電路的噪聲容限更高，且耗費的靜態(tài)功耗低很多。另外，巴納吉表示，隨著石墨烯研究領(lǐng)域不斷取得進展，這種全石墨烯電路有望在不久的將來成為現(xiàn)實。
全新石墨烯生產(chǎn)工藝 推動柔韌和透明電子產(chǎn)品發(fā)展
哥倫比亞大學工程研究實驗首次證明，可以從只有原子厚度的薄二維材料的一維邊緣來進行電接觸，而不是按照常規(guī)做法從其頂部接觸。有了這樣新的接觸架構(gòu)，研究人員已開發(fā)出一種新的層狀材料組裝工藝來防止接口污染。此外，使用石墨烯作為二維材料樣品表明，這兩種方法的結(jié)合會形成無污染石墨烯，該石墨烯目前尚未實現(xiàn)。
研究人員采用一種新技術(shù)將二維石墨烯層完全密封在一個薄的絕緣氮化硼晶體的夾層結(jié)構(gòu)中，并且將這些晶體層一個接一個地堆疊在里面。Dean解釋道：“我們組裝這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法完全消除層與層之間的任何污染，這可以通過橫切設(shè)備并觀察其在原子分辨率的透射電子顯微鏡成像來證實。”
一旦他們創(chuàng)建了堆棧，石墨烯的邊緣就會暴露蝕刻，然后將金屬蒸發(fā)到邊緣來建立電接觸。 通過沿邊緣進行電接觸，該團隊實現(xiàn)了在二維有源層和三維金屬電極之間的一維接觸。此外，盡管電子僅從石墨片的一維原子邊緣進入，但接觸電阻是相當?shù)偷?，可到達每微米100 Ohms的接觸寬度，這比石墨烯頂面接觸可實現(xiàn)的值更小。
有了這兩個新工藝，即通過一維邊緣的接觸架構(gòu)和防止接口污染的堆棧組裝方法，該團隊能夠生產(chǎn)“尚未實現(xiàn)的最干凈的石墨烯”。在室溫下，這些設(shè)備表現(xiàn)出以往所沒有的性能，包括比任何傳統(tǒng)二維電子系統(tǒng)至少大兩倍的電子遷移率、當加入足夠靜電電荷到薄片時少于40 Ohms的薄層電阻率等。令人驚訝的是，這個二維薄層電阻相對于一個“大塊”三維電阻率在常溫下比其他金屬電阻率更小。在低溫下，電子通過樣品時并不分散，這種現(xiàn)象被稱為彈道傳輸。彈道傳輸在以往的樣品中觀察時是接近于1毫米的大小，但是這項工作證明樣品中同樣的行為有20毫米那么大。Dean 稱：“距離遠近純粹受設(shè)備大小所限，這表明真正的‘本質(zhì)’行為甚至會更好。”
該團隊目前正在運用機械組裝和混合材料的邊緣接觸等工藝來開發(fā)新的復合材料。這些混合材料來自于全套可用的層狀材料，包括石墨烯、氮化硼、過渡金屬dichlcogenides （TMDCs）、過渡金屬氧化物（TMOs）和拓撲絕緣體（TIs）。Dean補充道：“目前，我們正利用常規(guī)手段獲得石墨烯設(shè)備前所未有的性能來探索大尺度彈道電子傳輸相關(guān)的一些效果和應用。有了這么多聚焦于正在開發(fā)的整合層狀二維系統(tǒng)新設(shè)備的最新研究，那么石墨烯各種潛在應用會是令人難以置信的，其中包括垂直結(jié)構(gòu)晶體管、隧道設(shè)備和傳感器、光敏混合材料、高柔韌度和透明度的電子產(chǎn)品?！?
石墨烯量子晶體管 助力DNA感測器
在基因組測序技術(shù)領(lǐng)域，科學家在不斷追求速度更快、成本更低的方法和設(shè)備。據(jù)物理學家組織網(wǎng)10月30日報道，最近，美國伊利諾斯大學厄本那—香檳分校最近開發(fā)出了一種新奇的方法：把石墨烯納米帶（GNR）夾在兩層有納米孔（內(nèi)徑約1納米）的固體膜中間，再讓DNA分子穿過這種“三明治”設(shè)備，以此來感知辨認所通過的DNA堿基對。
研究人員設(shè)計的DNA感測器是一種以石墨烯為基礎(chǔ)的場效應類晶體管設(shè)備，能探測DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)這一點的關(guān)鍵是利用了石墨烯的電學性質(zhì)，制成的GNR可以多方調(diào)節(jié)，改變它的邊緣形狀、載流子濃度、納米孔位置等，由此來調(diào)節(jié)它的電導率和對外部電荷的靈敏度。
“在這一專業(yè)領(lǐng)域，當前主要的實驗研究是模型模擬?！边@里面臨著許多難題和挑戰(zhàn)，讓-皮埃爾·萊伯頓教授介紹說，常用的密度泛函理論（DFT，一種物理學和化學中所用的量子力學模型方法，用于研究多物體系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)），僅限于固體系統(tǒng)中，而我們所處理的是一種固—液混合系統(tǒng)。此外，DFT還要對石墨烯納米帶假設(shè)一些過于簡單和理想化的條件，比如GNR寬度要一致，邊緣要規(guī)則，納米孔還要位于石墨烯帶的中心，沒有電解液的靜電穿透等。
“在我們的方法中，我們使用一種多軌道緊綁（TB）技術(shù)，比DFT處理的原子數(shù)量要大得多，而且考慮了GNR寬度不一，邊緣不規(guī)則，以及納米孔大小和位置不同等問題。”萊伯頓解釋說。此外，他們用一種多尺度法處理了雙混系統(tǒng)。
研究人員指出，其他領(lǐng)域也可能從這項研究中受益。比如開發(fā)新的小型生物電子設(shè)備，廣泛用于個體化醫(yī)療。萊伯頓說：“從更廣泛的意義上說，這是生物學與納米電子學在分子水平上的互動。納米電子設(shè)備帶給我們控制生物信息的可能，利用生物處理海量信息的能力，開辟信息處理技術(shù)的新天地?！?
紫外光/臭氧真空型設(shè)備 實現(xiàn)石墨烯顯示屏制備
上海交通大學日前披露，該校物理與天文系教授陳險峰與陶海華博士科研團隊，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紫外光/臭氧真空型設(shè)備，通過利用紫外光化學反應對石墨烯進行清洗和摻雜，有效提高其導電性能，使它在產(chǎn)業(yè)化過程中作為一種透明導電材料，讓可卷曲的電視、電腦、手機變成現(xiàn)實。
據(jù)介紹，在電子顯示器件領(lǐng)域，獲得柔性顯示屏一直是人們的夢想。然而，電極材料成了制約這一技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。在傳統(tǒng)的平板顯示行業(yè)，ITO薄膜是人們采用的常規(guī)材料。但因其質(zhì)地脆、成膜溫度高，不適宜用于普通的柔性有機基底材料上。
石墨烯用于電極材料時，其主要是由單層或幾層碳原子薄膜支撐，將大面積生長的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到任意柔性材料上，并隨之彎曲、折疊。
研究團隊認為，石墨烯是人類用于發(fā)展柔性顯示器的寶貴禮物，紫外光/臭氧真空設(shè)備提供一種準確可控的干法表面處理技術(shù)，將可能在這一使命中發(fā)揮無可替代的重要作用。
據(jù)了解，石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的二維晶體，厚度僅有一個碳原子大小，具有優(yōu)異的導電性、導熱性、光學透過率和韌性等。石墨烯這一領(lǐng)域的研究，由于全世界各國政府、科研人員和產(chǎn)業(yè)界的共同關(guān)注，在不到十年的時間里取得了諸多成果。同時，由于石墨烯本身所具有的優(yōu)異特性，科研人員正在探索用石墨烯代替脆質(zhì)、資源日益匱乏的氧化銦錫(ITO)透明導電薄膜。
據(jù)介紹，研究團隊研發(fā)的紫外光/臭氧表面處理真空設(shè)備，可以用來有效清洗石墨烯表面的有機污染物，并進一步實現(xiàn)載流子的摻雜。通過進一步控制工藝流程，若把石墨烯的導電性能提高到與ITO薄膜相當?shù)乃?，這將為柔性顯示器件所必須的陽極透明導電薄膜的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
專家認為，紫外光/臭氧真空設(shè)備不僅是紫外光化學反應技術(shù)本身的革命，它還會對材料、器件、醫(yī)學、生物等眾多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應用產(chǎn)生重要的影響，有望成為未來產(chǎn)業(yè)界中的重要鏈條。
石墨烯毫米波器件 毫米波器件發(fā)展熱點
由于電子在石墨烯中可不被散射而進行傳輸，用其制備的晶體管尺寸更小、速度更快，能耗更低，適于高性能、高集成度的RF系統(tǒng)級芯片（SoC）應用。
石墨烯器件工藝與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，是器件關(guān)鍵材料的更新?lián)Q代的首選。專家預測石墨烯的研究成果將對高端軍用系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)生難以估量的沖擊力，包括毫米波精密成像系統(tǒng)、毫米波超寬帶通信系統(tǒng)、雷達及電子戰(zhàn)系統(tǒng)等。
石墨烯由于其特有的高遷移率、好的噪聲性能等，在低噪聲放大應用中有很大的優(yōu)勢，能廣泛的應用于W波段以及以上波段的毫米波單片集成電路（MMIC）和低噪聲放大器等電路中，因而成為近期研究的一個熱點。
碳納米管能讓電池變?nèi)彳?/strong>
最后，我看來再來看一個碳家族成員的神奇表現(xiàn)，雖然它不叫石墨烯。
據(jù)報道，美國新澤西理工學院的科學家已經(jīng)開發(fā)出一種由碳納米管制成的柔性電池，未來有望在柔性顯示器和可穿戴電子設(shè)備上獲得應用。
電子產(chǎn)品制造商現(xiàn)在已經(jīng)制造出了柔性O(shè)LED顯示器，這種開拓性的技術(shù)將讓我們身邊的電子產(chǎn)品發(fā)生根本性的改觀，可以折疊的手機、平板電腦和電視正在從科幻走入現(xiàn)實。而這種新型柔性電池的研制成功無疑讓這些柔性可折疊設(shè)備離我們更近了一步。
領(lǐng)導該項研究的美國新澤西理工學院化學與環(huán)境科學教授薩曼尼·米特拉說，這種電池由碳納米管和作為活性成分的細微粒子構(gòu)成，這些粒子與傳統(tǒng)電池中的粒子作用類似，但它們被設(shè)計成在具有活性的同時保持柔性。這種電池在外形設(shè)計上極為靈活，小可如針頭，大可如地毯，應用領(lǐng)域可以說是無窮無盡，多種尺寸的柔性便攜設(shè)備都能適配?？梢杂闷涮娲胀ǖ腁A或AAA電池，也可以將其卷起來放在電動汽車的后背箱里作為備用電源。
除此之外，這種電池還有另外一種革命性的潛力，它結(jié)構(gòu)簡單、組裝難度較小，掌握技術(shù)要領(lǐng)后容易批量生產(chǎn)。制造電池需要的基本部件包括電極、電漿和包裹材料。使用兩片塑料包裹材料將電極和電漿包裹起來之后，再在其中加入塑料隔板，最后將整個系統(tǒng)封裝起來就可以了。
神奇的碳，再一次在我們面前展示了其神奇之處。石墨烯將推動的巨大市場已成萬人關(guān)注焦點。它的研究還會取得怎樣的進展，讓我們拭目以待。
