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刘忠范院士:后摩尔时代,请“放开”石墨烯

时间:2023-10-26 09:05:47 点击:221次

A3尺寸石墨烯薄膜、四/六英寸单晶石墨烯晶片、石墨烯玻璃纤维、超级石墨烯玻璃……走进北京石墨烯研究院展厅,就像进入了石墨烯的神奇世界。 石墨烯是目前已知的最薄、最硬的纳米材料。 具有超薄、超轻、超柔、超高强度、超强导电、导热、透光等特点。 其大规模应用受到了业界的青睐。 高希望。 不过,中科院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范表示,业界对石墨烯产业仍应保持耐心。 他在接受中国电子报专访时表示:“石墨烯作为一种新材料,从研发到量产有着悠久的历史,大规模应用是一个循序渐进的过程,不可能一蹴而就。需要遵循‘材料、设备使用’规律和新兴产业发展规律。”

遵循规则,专注研发,静待市场绽放。

石墨烯是由紧密堆积的碳原子组成的二维晶体。 它是目前已知的最薄、最硬的纳米材料。 它具有超薄、超轻、超柔、超高强度、超强导电性、优异的电性能。 导热、透光等特性,它综合了透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等许多优良性能。 它在电子、光学、储能、传感器等领域有着广泛的应用。 巨大的应用潜力。

石墨烯薄膜转移技术

在看到石墨烯产业巨大的市场潜力后,一些石墨烯相关产品开始推广应用。 刘忠范告诉中国电子报记者,石墨烯新能源电池、石墨烯防腐涂料和石墨烯保健品是目前国内石墨烯行业的“三大热门项目”。 刘忠范通过几个数字向记者介绍了国内石墨烯产业的发展现状:“目前石墨烯应用中,石墨烯新能源电池占比71%,另外一个就是石墨烯涂料,全国有上百家企业做石墨烯。” “石墨烯防腐涂料相关。然后是石墨烯保健品,占比7%左右。这三个领域合计接近90%。”

“超级石墨烯电池”8分钟可充至80%电量,续航超……经历了一段“神化石墨烯”的市场炒作后,刘忠范指出石墨烯正处于巅峰炒作结束,市场已经平静下来。 预计。 这里的“冷”不是指行业遇到困难后的挫折,而是行业的理性和市场的平静。 刘忠范坦言,在这个相对平静的时期,人们应该降低对石墨烯的过高期望,脚踏实地,遵循技术发展的客观规律,对石墨烯产业进行持续的技术研发。

石墨制备石墨烯_石墨块_石墨制品

现阶段,刘忠范带领的团队瞄准石墨烯产业,正在全方位开展石墨烯基础研究和产业化核心技术研发。 刘忠范告诉记者:“目前,我们团队主要进行石墨烯材料制备方面的研发。具体来说,石墨烯材料主要分为三类,即石墨烯粉末材料、石墨烯薄膜材料以及介于两者之间的纤维材料。目前, 4英寸单晶石墨烯晶圆、6英寸单晶石墨烯晶圆、A3尺寸石墨烯薄膜、超净石墨烯均已实现量产。”

工人们在石墨烯薄膜生产示范中心生产材料

据介绍,万米石墨烯薄膜材料已中试生产。 目前,刘忠范带领的团队正在等待市场需求的真正爆发。 他表示,他的研究团队的首要任务就是集中精力研发,集中精力把石墨烯材料做好,实现规模化生产。 “技术上已经实现了冗余,一旦石墨烯的应用取得突破,我们就可以毫无技术障碍地进行规模化生产。” 刘忠范笑着告诉记者,“研发加上中试生产,让我们在这个行业有了竞争力。” 领域已经积累了,剩下要做的就是在研发路上继续前行,然后等待市场开花。”

成本和规模化制备是影响石墨烯产业化的关键因素

作为一种新型材料,石墨烯材料的发展现状是“理想很丰满,但现实很骨感”。 刘忠范向中国电子报记者坦言,目前石墨烯市场上的很多石墨烯材料都不是很“靠谱”。

2018年,诺贝尔奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫和另一位新加坡国立大学教授在《先进材料》上发表文章。 他们检查了全球 60 多家公司的粉末材料。 大块石墨烯材料,发现大多数公司提供的样品中,石墨烯含量低于10%。 刘忠范告诉记者,石墨烯是一种纯碳材料,含有100%的碳。 但目前的情况是,大多数所谓的“石墨烯材料”的碳含量不超过60%。 换句话说,超过40%的石墨烯材料甚至不是碳。 “这是目前的问题,对于石墨烯材料,行业还有很大的努力空间。” 刘忠范说道。

实验人员进行测试和实验

在需要努力的诸多方面中,提高规模化制备水平是推动石墨烯产业发展的关键因素。 刘忠范告诉记者,石墨烯产业正处于发展初级阶段,这个阶段需要让规模化准备成为可能。 刘忠范指出,产品要想走出实验室,发展成规模化产品,需要品质高、一致性稳定性强。 但目前大规模制备石墨烯产品并不容易。

其中,石墨烯的剥离是一大难点。 用胶带粘住的诺贝尔物理学奖曾经被说成是一个“传奇”:用一块胶带将石墨粘在胶带的另一面,然后撕下来,使石墨片变得更薄。 这是一种非常实用又有趣的剥离方式。 不过,刘忠范告诉记者,剥离粉状石墨烯并不是用胶带,而是采用化学方法,比如用硫酸和强氧化剂煮沸,将粉状石墨烯逐层剥离。 但现在的困难在于,剥离的石墨烯层数从1层到100层不等,很难控制。

石墨烯的生长也是一个问题。 刘忠范表示,薄膜石墨烯通常在高温炉中烧制。 使用铜箔作为催化剂,在1000℃的高温加热炉中,可以在铜箔上生长石墨烯原子层。 “虽然能长,但是长得不好。” 刘忠范告诉记者,“石墨烯原子图像非常漂亮,但实际做出来的东西缺陷很多,质量很差。”

大规模制备的不一致性、不稳定和质量低是石墨烯产业化的主要瓶颈。 除了大规模量产之外,成本问题也是石墨烯推向市场的一大难点。 刘忠范告诉记者,具有导电特性的石墨烯可以用作柔性屏幕,以各种“纤维”形状的柔性显示器为例。 但需要注意的是,层压加工后,石墨烯的导电率和透光率还需要进一步提高。 解决这些材料和工艺上的问题将显着增加生产成本,导致石墨烯柔性屏失去成本效益优势。 市场竞争力。 “一块A3尺寸的石墨烯薄膜材料的价格为2万元,这个价格与现有的显示技术相比根本没有竞争力。” 刘忠范说道。

石墨烯晶圆并不是好出路,应该寻找更多的应用突破。

石墨制品_石墨制备石墨烯_石墨块

人们对新事物总是抱有很多期待和向往。 尽管石墨烯材料的规模化制备还存在困难,但石墨烯产业的发展前景依然光明。

半导体行业被很多人视为石墨烯材料大展身手的舞台。 后摩尔时代,新材料的使用被认为是解决芯片性能问题、突破芯片制造物理瓶颈的途径之一。 作为“黑金”、“新材料之王”,石墨烯备受业界关注。

刘忠范等研究人员的最新研究进展,谱写了石墨烯在半导体行业应用的新篇章。 长期以来,我国在氮化物核心材料和器件方面的原始创新能力较为薄弱,核心专利技术不足。 同时,由于缺乏均质衬底,氮化物材料通过金属有机化学气相沉积()在蓝宝石、硅、碳化硅等单晶衬底上异质外延生长。 单晶衬底的尺寸、成本、晶格失配、热失配、导热性和导电性限制了氮化物材料的发展。 在这种情况下,刘忠范等研究人员利用玻璃基板上的化学气相沉积技术,开发了一系列石墨烯晶圆制备方法,通过“异质外延”降低了氮化物对单晶基板的依赖。 对于扩大半导体外延衬底的选择范围、丰富半导体异质外延生长的概念、实现后摩尔时代的片上材料组装和异质集成具有重要意义。

实验人员进行测试和实验

后摩尔时代石墨烯在半导体行业的应用已经初见曙光,但在刘忠范看来,石墨烯材料还是应该找到自己真正的应用突破,而不是“占领鹊巢”“带动硅”刘忠范表示,硅集成电路的工艺路线是根据硅的特性量身定制的。如果想要石墨烯取代硅材料,就必须重新打造一致的工艺和逻辑用石墨烯材料,这简直就是一个幻想。

“取代硅、把硅踢出集成电路领域很难,但新事物一定有自己的生存空间。” 刘忠范告诉记者,尽管试图用“石墨烯晶圆”替代硅晶圆,在半导体行业实现弯道超车并不现实,但石墨烯材料非常有希望找到自己真正的应用突破。

在半导体照明领域,石墨烯基半导体照明采用石墨烯作为缓冲层进行III族氮化物材料(AlN、GaN)的外延生长,可以缓解大功率LED的散热等问题,进一步提高光电性能。转换效率; 在新能源汽车领域,传统的铜充电枪头经过石墨烯生长工艺处理并进行表面改性。 石墨烯铜充电枪可以解决大电流快充条件下发热和环境侵蚀问题; 它使用柔性一维纤维形式的石墨烯。 凭借独特的功能,超级石墨烯纤维有望为便携式能源、可穿戴电子设备等行业带来颠覆性变革。 刘忠范告诉记者,经过高温炉处理后,玻璃纤维上生长了一层石墨烯。 生产出来的布不仅像纸一样轻薄,而且具有优良的导电性和导热性; 通过喂蚕吃少量的石墨烯,蚕丝的强度可以超过30%,手感更好,使用起来更凉爽。

“有人已经把石墨烯做成了电子皮肤,这就是我们正在努力做的事情。” 刘忠范表示,石墨烯电子皮肤贴在人体上后,可以测量脉搏、血压、体温等人体体征,保障人们的健康。 。 在与医疗保健相关的其他领域,石墨烯水凝胶具有优异的导热性、导电性、抗菌性和远红外理疗功能,可用作神经修复、人工软骨、智能口罩、贴片、医用电极等; 石墨烯透明电极具有优异的生物组织兼容性和磁共振成像兼容性,可用于制作用于生物医学测试的高性能神经接口。