轉(zhuǎn)自  微波射頻網(wǎng)

　　2015年10月，習(xí)近平主席參觀了英國曼徹斯特大學(xué)的國家石墨烯研究所院，石墨烯引起了社會各界更多的關(guān)注。其實在石墨烯產(chǎn)業(yè)層面，這已經(jīng)不是習(xí)近平主席第一次關(guān)注石墨烯，早在2014年底，習(xí)近平在南京考察江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院時，曾拿起石墨烯氣體阻隔膜，了解產(chǎn)品性能、市場應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)前景等。

　　自2004年石墨烯在實驗室被正式制備以來，石墨烯已進(jìn)入快速發(fā)展期，其相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用普及將伴隨著石墨烯生產(chǎn)能力的提高和材料技術(shù)換代升級而逐步實現(xiàn)。如今，對于石墨烯的研究正在全世界展開，未來，隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐也將加快，基于已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域很可能會是移動設(shè)備、航空航天和新能源電池領(lǐng)域。

　　目前，華為已宣布與曼徹斯特大學(xué)合作研究石墨烯的應(yīng)用，研究如何將石墨烯領(lǐng)域的突破性成果應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品和移動通信設(shè)備。微波射頻網(wǎng)自創(chuàng)辦以來一直在關(guān)注石墨烯在高頻領(lǐng)域的研究進(jìn)展，今天我們就來談?wù)勈┰诟哳l領(lǐng)域的應(yīng)用前景及最新研究進(jìn)展。

石墨烯的高頻電子特性

　　石墨烯的發(fā)現(xiàn)者可能未曾預(yù)料到它的研發(fā)會有如此迅猛的突破。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·K·海姆（Andre.K.Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Kostya.Novoselov）通過簡單的“機(jī)械剝離法”， 利用“膠帶”從石墨表面“撕”出單層的石墨--石墨烯。2010年諾貝爾物理學(xué)獎授予了這兩位物理學(xué)家，以表彰他們對石墨烯的研究。

　　石墨烯具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度為一個原子層。碳原子之間由σ鍵連接，結(jié)合方式為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強(qiáng)100倍，甚至還要超過鉆石。在石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中自由移動，且運動速度高達(dá)光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。

　　基于以上信息，石墨烯具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率，是一種性能非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，有望成為下一代超高頻率晶體管的基礎(chǔ)材料而廣泛應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。

幾款高頻材料電子特性對比圖

　　石墨烯具有極高的載流子遷移率，可用于制作高響應(yīng)速度的射頻器件。射頻晶體管的重要參數(shù)之一是截止頻率，一般可通過縮小溝道長度來提高。目前實驗上石墨烯場效應(yīng)管的溝道長度最小已做到40nm，得到最大截止頻率為300GHz。電子在石墨烯中的運行速度能夠達(dá)到光速的 1/300，要比在其他介質(zhì)中的運行速度高很多，而且只會產(chǎn)生很少的熱量。石墨烯的這些特性尤其適合于高頻電路，使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)出的處理器能夠達(dá)到 1THz（即1000GHz）。

石墨烯是替代硅的理想材料

　　相對于通過前端設(shè)計提升微結(jié)構(gòu)來提高芯片性能，通過后端設(shè)計來提升主頻顯然更加簡單粗暴。隨著Intel等IC設(shè)計公司在IPC上已經(jīng)相繼遭遇緊瓶，提升主頻已經(jīng)是成為了提升CPU性能的不二之選。硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實現(xiàn)的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。

　　但如果使用石墨烯材料，那么結(jié)果就可能不同了。因為相對于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料，石墨烯的載流子遷移率在室溫下可達(dá)硅的10倍以上，在實驗室環(huán)境下最高可達(dá)100倍，飽和速度是硅的5倍，電子運動速度達(dá)到了光速的1/300。同時具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻可以達(dá)到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗。因此，采用石墨烯材料的芯片具有極高的工作頻率和極小的尺寸，而且石墨烯芯片制造可與硅工藝兼容，是硅的理想替代材料--在前端設(shè)計水平相當(dāng)?shù)那闆r下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強(qiáng)幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍！同時還擁有更低的功耗。

石墨烯在通信領(lǐng)域的應(yīng)用

　　通信產(chǎn)品里有大量芯片，基站設(shè)備的DSP，路由器、調(diào)制解調(diào)器、交換機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)品都需要芯片，而性能更強(qiáng)的芯片也就意味著更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，意味著更快的通訊速度。舉例來說，目前主流的4G系統(tǒng)基站雖然已經(jīng)采用了負(fù)責(zé)基帶處理的BBU+負(fù)責(zé)射頻的RRU通過光纖拉遠(yuǎn)的架構(gòu)，但由于機(jī)房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設(shè)置以節(jié)省機(jī)房的需求越來越強(qiáng)烈，同時也要求對基帶資源共享、集中調(diào)度等功能的實現(xiàn)。由于基帶信號對帶寬和各項處理資源的消耗很大，現(xiàn)有芯片和背板處理速度根本無法實現(xiàn)更大規(guī)模的基帶資源集中調(diào)度和共享，同時在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰(zhàn)。

　　若采用石墨烯材料，不但芯片處理能力、數(shù)據(jù)交換速率能得到大幅提升，石墨烯良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低，進(jìn)而實現(xiàn)處理能力達(dá)到上萬載頻的集中式基帶資源池。

　　石墨烯也可以作為天線的材料。美國佐治亞理工學(xué)院無線寬帶網(wǎng)絡(luò)實驗室提出石墨烯無線天線構(gòu)想，該構(gòu)想中，由石墨烯制成的天線以1000GHz的頻率正常工作，遠(yuǎn)超目前常規(guī)的天線。如果這個構(gòu)想成為現(xiàn)實，那么就意味著更多高頻段的頻譜資源可以被開發(fā)出來用于未來的無線通信系統(tǒng)，從而提供更大的系統(tǒng)帶寬和吞吐速率。

石墨烯毫米波器件軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

　　石墨烯由于其特有的高遷移率、良好的噪聲性能等，在低噪聲放大應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢，能廣泛的應(yīng)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，在毫米波、亞毫米波乃至太赫茲器件等方面具有重大的應(yīng)用前景。

半導(dǎo)體材料在微波毫米波器件的應(yīng)用頻段

　　基于石墨烯溝道的超高速、超低噪聲、超低功耗的場效應(yīng)晶體管及其集成電路，可望突破當(dāng)前高頻電子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶頸，為開發(fā)新型高分辨成像技術(shù)、高性能雷達(dá)系統(tǒng)、高頻寬帶通信技術(shù)、超級計算機(jī)技術(shù)提供新的思路和解決方案。

　　專家預(yù)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(dá)及電子戰(zhàn)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)應(yīng)用于軍事裝備，可以大大提高軍隊在3mm波段的電子對抗、通信、雷達(dá)系統(tǒng)的水平，實現(xiàn)信息化和自動化的新的跨越。

國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　自2004年英國曼徹斯特大學(xué)的兩位物理學(xué)家首次制備出石墨烯以來，石墨烯受到全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注，許多發(fā)達(dá)國家都對石墨烯的研究投入了大量的人力和財力。

　　美國

　　美國近年來對石墨烯的經(jīng)費投入非常巨大，大大推動了他們在該方面的科學(xué)進(jìn)展。已經(jīng)把石墨烯定位于最可能取代Si材料的下一代半導(dǎo)體材料，軍方、企業(yè)界、大學(xué)都花了很大的人力、財力、物力進(jìn)行石墨烯材料和器件的研究。DAPRA統(tǒng)籌規(guī)劃，從石墨烯材料制備、器件工藝、電路等方向齊頭并進(jìn)，并已經(jīng)制作出W波段的低噪聲放大器。

　　美國國防部高級研究計劃署(DARPA)2008年7月發(fā)布了碳電子射頻應(yīng)用項目(總資2 200萬美元)，主要開發(fā)超高速和超低能量應(yīng)用的石墨烯基射頻電路，即用石墨烯制造電腦芯片和晶體管。該項目的最終目標(biāo)(2012年9月結(jié)題之前)是完成石墨烯晶體管的高性能(＞10 000 cm2 Vs-1霍耳遷移率)、W波段(＞90 GHz)低噪聲放大器的實證研究，以及使200 mm晶圓的產(chǎn)量＞90%，使它們具有成本效益。

　　美國國家科學(xué)基金會(NSF)2009年5月發(fā)布了石墨烯基材料超電容應(yīng)用項目，主要研究內(nèi)容包括：(1)開發(fā)石墨烯基電子材料，提高超級電容器性能，使其具有較高的能量和功率密度；(2)表征石墨烯基電子材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能特征；(3)加強(qiáng)對石墨烯基超級電容器中電化學(xué)雙層和決定其性能因素的基本認(rèn)識；(4)調(diào)查離子液體作為石墨烯基超級電容器電解液的相容性；(5)開發(fā)新型超級電容器電池組裝工藝和電池測試方法。項目研發(fā)經(jīng)費為63.4萬美元，研究周期為2009年7月1日至2012年7月30日，由得州大學(xué)奧斯汀分校具體負(fù)責(zé)研究和實施。

　　美國結(jié)構(gòu)材料工業(yè)公司(SMI)2009年11月宣布，獲得NSF的小型企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移項目(STTR)一期資助，用于開發(fā)以石墨烯為基質(zhì)的高靈敏度NOx探測器。其合作方為康奈爾大學(xué)、南卡羅來納大學(xué)，分別提供石墨烯薄膜生長技術(shù)和氣體探測器表征技術(shù)。

　　2008年3月：IBM沃森研究中心的科學(xué)家在世界上率先制成了基于SiC襯底的低噪聲石墨烯晶體管。普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做1/f的噪音會越來越明顯，使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(Hooge's law)”，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會產(chǎn)生該現(xiàn)象。因此，如何減小1/f噪聲成為實現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問題之一。IBM通過重疊兩層石墨烯，試制成功了晶體管。由于兩層石墨烯之間生成了強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制了1/f噪音。IBM華裔研究人員林育明的該發(fā)現(xiàn)證明，兩層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。

IBM采用雙層石墨烯結(jié)構(gòu)降低器件噪聲

　　2009年5月，美國HRL實驗室稱在高質(zhì)量2英寸石墨烯薄膜及其射頻場效應(yīng)晶體管方面取得了突破，下圖顯示了器件的結(jié)構(gòu)和電子輸運特性。HRL資深科學(xué)家Jeong-Sun Moon表示，該器件擁有全球最高的場遷移率，約6000cm2/Vs，是現(xiàn)階段最先進(jìn)硅基n-MOSFET的6-8倍。他們使用Aixtron的VP508 CVD反應(yīng)設(shè)備，通過從6H-SiC晶體中升華硅的方法，成功制成了石墨烯薄膜。之后使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻膠工藝和氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備了晶體管。

HRL實驗室在2英寸石墨烯薄膜上的射頻場效應(yīng)晶體管

　　在2010年2月出版的《Science》雜志上，IBM的研究人員展示了一種由SiC單晶襯底上生長石墨烯材料制作而成的場效應(yīng)晶體管（FET），其截止頻率可達(dá)100 GHz，這是運行速度最快的射頻石墨烯晶體管。這一成就是美國國防部高級研究計劃局(DARPA)“碳電子射頻應(yīng)用項目” (CERA)取得的重大進(jìn)展，為研發(fā)下一代通信設(shè)備鋪平了道路。研究人員通過使用與現(xiàn)行的先進(jìn)硅器件制造技術(shù)相兼容的加工技術(shù)制成了晶圓規(guī)模、外延生長的石墨烯，從而達(dá)成了此高頻記錄。

　　2010年6月，石墨烯FET突破上次記錄。來自IBM公司的Ph.Avouris， 林育明等人運用SiC高溫升華法，把2英寸4H-SiC Si面襯底在1450℃下高溫退火，制得大部分由單層石墨烯覆蓋的2英寸片。經(jīng)氧等離子體刻蝕形成溝道區(qū)，熱蒸發(fā)源漏金屬電極，ALD方法制備柵電介質(zhì)，最終制備出柵長為90nm，截止頻率fT達(dá)到170GHz的FET器件。

　　2011年6月10日，IBM 的研究人員在《Science》上發(fā)表了晶圓級石墨烯集成電路的最新結(jié)果，將石墨烯場效應(yīng)晶體管和電感單片集成在SiC襯底上，研制出最高可工作到10GHz的寬帶混頻器集成電路，如下圖所示。

IBM最新研制的石墨烯混頻器照片

　　2013年由Roman Sordan領(lǐng)導(dǎo)的來自米蘭理工大學(xué) (Politecnico di Milano) 和伊利諾伊大學(xué)Eric Pop 學(xué)院(Eric Pop of the University of Illinois) 的小組稱他們制作出了第一個集成石墨烯振蕩器，并可在1.28 GHz下運行。和傳統(tǒng)的硅CMOS裝置及早期的二維材料裝置相比，這種振蕩器對電源電壓的波動更加不敏感。研究小組稱，這種環(huán)形振蕩器是實現(xiàn)全石墨烯微波電路道路上重要的一步。該研究成果發(fā)表在 ACS Nano上。

　　2014年美國佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究人員公布了一項研究成果：用石墨烯制作的天線非常適于利用頻率在0.1THz到10THz之間的電磁波，即“太赫茲波”的無線通信。于是，制作用一般金屬天線無法實現(xiàn)的約1μm長太赫茲無線模塊就有了實現(xiàn)的可能。

　　IBM于2014年初又取得了一項里程碑式的技術(shù)突破，利用主流硅CMOS工藝制作了世界上首個多級石墨烯射頻接收器，并進(jìn)行了文本信息收發(fā)測試，結(jié)果表明，它的性能比以往的石墨烯集成電路好1000倍，達(dá)到了與硅技術(shù)的現(xiàn)代無線通信能力相媲美的程度。研究發(fā)表在2014年出版的《自然通訊》(Nature Communications)上。

　　歐洲

　　歐盟FP7框架計劃2008年1月發(fā)布了石墨烯基納米電子器件項目。該項目為FP7的聯(lián)合研究項目，主要研究“超越CMOS”(Beyond CMOS)領(lǐng)域的技術(shù)，參加機(jī)構(gòu)包括德國AMO有限公司、意大利大學(xué)納米電子研究組(IUNET)、英國劍橋大學(xué)半導(dǎo)體物理組(UCAM DPHYS)、法國原子能機(jī)構(gòu)(CEA)的LETI和法國STMicroelectronics SAS、愛爾蘭科克大學(xué)(University College Cork)的Tyndall納米研究所等組成。項目經(jīng)費為239萬歐元，研究周期為2008年1月1日至2010年12月31日。

　　歐洲研究理事會(ERC)資助了石墨烯物理性能和應(yīng)用研究項目。項目研究經(jīng)費為177.5萬歐元，研究周期為3年，負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)為英國曼徹斯特大學(xué)物理與天文學(xué)院。該項目有三個主要方向：(1)重點研究石墨烯薄膜和獨特的一維性能；(2)模擬無質(zhì)量相對論粒子的石墨烯電荷載體；(3)石墨烯晶體管的應(yīng)用研究。歐洲科學(xué)基金會(ESF)2008年12月發(fā)布了擴(kuò)大石墨烯研究在科學(xué)和創(chuàng)新方面的影響力的基金申請項目，即歐洲石墨烯項目(EuroGRAPHENE)，共有19個國家的20個基金資助機(jī)構(gòu)參與該項目的資助。歐洲石墨烯項目是一個4年期的研究計劃，需要歐洲范圍內(nèi)廣泛而有深度的合作。該項目主要研究領(lǐng)域包括石墨烯物理性能、機(jī)械和電子-機(jī)械性能、化學(xué)修飾，以及尋找設(shè)計石墨烯電子特性的新方法和制備以石墨烯為基礎(chǔ)的功能應(yīng)用器件。

　　德國科學(xué)基金會(DFG)于2009年7月宣布開展石墨烯新興前沿研究項目，項目時間跨度為6年。該項目的目標(biāo)是提高對石墨烯性能的理解和操控，以建立新型的石墨烯基電子產(chǎn)品?；鹳Y助領(lǐng)域主要包括：石墨烯基電子設(shè)備的制備；石墨烯電子、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、振動等性能表征與操控；石墨烯納米結(jié)構(gòu)制備和表征及性能操控；石墨烯與襯底材料、柵極材料相互作用的理解和控制；輸運研究(如聲子和電子傳輸、量子傳輸、彈道輸運、自旋輸運)、新型裝置示范(如場效應(yīng)器件、等離子器件、單電子晶體管)以及石墨烯的理論研究(如石墨烯電子和原子結(jié)構(gòu)、電子聲子運輸、自旋、石墨烯機(jī)械和振動性能、納米結(jié)構(gòu)、器件模擬)等。

　　英國工程和自然科學(xué)研究委員會(EPSRC)資助了石墨烯基自旋器件模擬項目，項目承擔(dān)機(jī)構(gòu)為蘭卡斯特大學(xué)，項目研究時間跨度為2010年1月1日至2012年12月31日，資助額度為4.9萬英鎊。EPSRC還資助了石墨烯基晶體管傳輸模擬項目，項目承擔(dān)機(jī)構(gòu)也為蘭卡斯特大學(xué)，時間跨度為2007年10月23日至2010年8月22日，資助額度為19.8萬英鎊。2014年10月 英國財政大臣奧斯本宣布英國將投資6000萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立石墨烯工程創(chuàng)新中心（GEIC），打造新的尖端石墨烯研究設(shè)施，以開發(fā)和維持英國在石墨烯及有關(guān)2-D材料方面的世界領(lǐng)先地位。

　　2014年歐盟未來新興技術(shù)（FET）石墨烯旗艦計劃發(fā)布了首份招標(biāo)公告和科技路線圖，介紹了擬資助的研究課題和支持課題，以及根據(jù)領(lǐng)域劃分的工作任務(wù)，每項課題都涉及多項工作任務(wù)。根據(jù)路線圖，石墨烯旗艦計劃將分兩階段進(jìn)行：初始熱身階段（2013年10月1日至2016年3月31日，共資助5400萬歐元）和穩(wěn)定階段（2016年4月開始，預(yù)計每年資助5000萬歐元）。主要研究課題包括：面向射頻應(yīng)用的無源組件、GRM與半導(dǎo)體器件的集成、高頻電子學(xué)、柔性電子學(xué)、硅光子學(xué)的集成、光電子學(xué)。

　　部分研究進(jìn)展

　　2009年：意大利的科研人員成功地用石墨烯制造了首枚包含兩個晶體管的集成電路，它擁有簡單的計算能力，標(biāo)制著碳基電子學(xué)時代的到來。這枚只有兩個晶體管的集成電路雖然很小，卻是向制造碳基高性能電子器件邁出的重要一步。

　　2012年1月：瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers Universityof Technology）宣布利用一個石墨烯晶體管（GFET）便制造出了用于微波用途的次諧波混頻器。次諧波混頻器是從RF信號直接輸出基帶信號（直接轉(zhuǎn)換方式）或者輸出低IF（中頻）信號（低IF方式）的常用混頻電路之一。LO的頻率為fLO、RF信號的頻率為fRF時，被輸出的IF信號的頻率為|fRF－2fLO|。此次制造的次諧波混頻器在fRF為2GHz、fLO為1.01GHz時，輸出|fRF－2fLO|＝20MHz的IF信號。

　　2014年2月：由歐盟第七研發(fā)框架計劃（FP7）提供全額資助、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）伽里.基納瑞（Jari KINARET）教授領(lǐng)導(dǎo)的歐洲AUTOSUPERCAP研發(fā)團(tuán)隊，利用最新的石墨烯（Graphene）材料技術(shù)制作出創(chuàng)新型的大功率超級電容器（Supercapacitors）。

　　2015年5月：英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家們宣布已經(jīng)找到一種利用石墨烯打印出天線的方法。利用壓縮石墨烯墨水打印出的天線不僅靈活、環(huán)保、價格低廉，還可大批量生產(chǎn)，能夠應(yīng)用在射頻識別（RFID）標(biāo)簽和無線傳感器上。該成果發(fā)表在最近一期《應(yīng)用物理快報》上。

　　2015年11月：德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫(HZDR)研究中心的科學(xué)家通過在SiC上一個微小的片狀石墨烯加上天線，開發(fā)出一種新的光學(xué)探測器。據(jù)稱，這種新型探測器可以迅速的反射所有不同波長的入射光，并可在室溫下工作。這是單個檢測器首次實現(xiàn)監(jiān)測光譜范圍從可見光到紅外輻射，并一直到太赫茲輻射。

　　日本

　　日本學(xué)術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)2007年就開始了對石墨烯硅材料/器件的技術(shù)開發(fā)項目的資助。該項目的負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)為日本東北大學(xué)。該項目主要是開發(fā)“石墨烯硅”材料/工藝技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)先進(jìn)的輔助開關(guān)器件(CGOS)和等離子共振赫茲器件(PRGOS)。這項研究將能實現(xiàn)電荷傳輸無時間、超高速、大規(guī)模集成的器件技術(shù)。

　　2008年6月日本東北大學(xué)電通信所末光真希教授將SiC在真空條件下加熱至1000多度，除去硅而余下碳，通過自組形式形成單層石墨烯。末光教授的團(tuán)隊通過控制SiC形成時的結(jié)晶方向和Si襯底切割的結(jié)晶方向，得到了100×150平方微米面積的兩層石墨膜，其晶格畸變率僅為1.7%。其他科研團(tuán)隊利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為20%，因而不能制成可實際應(yīng)用的器件。

　　國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
　　中國是目前石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國家之一。數(shù)據(jù)顯示，在所有國家中，中國申請的石墨烯專利數(shù)量最多，已超過2200項，占全世界的1/3。2013年工信部發(fā)布的 《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的前沿新材料中就包含石墨烯。國家自然科學(xué)基金委資助了大量有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)研究項目，國家科技重大專項、國家973計劃也部署了一批重大項目。各級政府對石墨烯表現(xiàn)出極大的興趣，已經(jīng)初步形成了政府、科研機(jī)構(gòu)、研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的官產(chǎn)學(xué)研合作對接機(jī)制。

　　在高頻領(lǐng)域主要研究進(jìn)展

　　2011年5月消息：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室常凱研究員和博士生吳振華、浙師大翟峰教授等合作者，研究發(fā)現(xiàn)，在存在應(yīng)力時，石墨烯中的電子以某些特定的入射角入射到應(yīng)力區(qū)界面時，處于相反谷中的電子可以分別完美隧穿通過應(yīng)力區(qū)或被應(yīng)力區(qū)完全反射，這一現(xiàn)象類比自然光以布儒斯特角入射到電介質(zhì)界面時得到線偏振光的過程。該研究成果發(fā)表在國際著名物理學(xué)期刊《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett., 106, 176802 (2011))。該項研究對于構(gòu)建石墨烯谷電子學(xué)器件具有重要意義。

　　2011年8月消息： 中國科學(xué)院微電子研究所微波器件與集成電路研究室（四室）石墨烯研究小組成員(麻芃、郭建楠、潘洪亮)在金智研究員和劉新宇研究員的帶領(lǐng)下，分別在采用微機(jī)械剝離方法、SiC外延生長法和化學(xué)氣相淀積(CVD)法生長出的新型石墨烯材料上，成功研制出高性能的石墨烯電子器件。

　　2012年9月消息：湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院張晗教授和文雙春教授領(lǐng)導(dǎo)的中國石墨烯光子學(xué)研究團(tuán)隊首次實驗證明了石墨烯除了其眾所周知的光飽和吸收性之外，還具有微波和太赫茲飽和吸收性。這些研究成果已發(fā)表在2012期光學(xué)快報（“石墨烯的微波和光飽和吸收”）。

　　該團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)通過以0.8GHz的頻率間隔從96GHz不斷的調(diào)節(jié)微波頻率直到100GHz（調(diào)制深度為4.58%至12.77%），石墨烯的微波飽和吸收性就會被證實。通過對相同樣品進(jìn)行的Z-掃描測量，石墨烯的光飽和吸收性質(zhì)也會得到確認(rèn)。

100GHz微波產(chǎn)生裝置和石墨烯中波飽和吸收特性分析系統(tǒng)裝置

　　2013年消息：北京大學(xué)凝聚態(tài)物理與材料物理研究所呂勁課題組通過第一性原理的量子輸運模擬發(fā)現(xiàn)，亞10納米石墨烯晶體管截止頻率依然隨溝道長度減小而反比增大，因此可以通過連續(xù)縮小石墨烯晶體管的溝道長度提高截止頻率，最高可達(dá)幾十太赫茲。如果設(shè)法打開石墨烯能隙，石墨烯晶體管輸出特性曲線會出現(xiàn)非常明顯的電流飽和性質(zhì)，這將大大提高石墨烯射頻場效應(yīng)管的電壓贏得和最大震蕩頻率（射頻器件性能表現(xiàn)的另外兩個重要參數(shù)），同時太赫茲以上的截止頻率依然能得到保持。該研究為把石墨烯射頻場效應(yīng)器件表演推向極限提供了理論指導(dǎo)。研究成果發(fā)表在自然出版集團(tuán)新刊《Scientific Reports》上（Sub-10 nm Gate Length Graphene Transistors: Operating at Terahertz Frequencies with Current Saturation, Scientific Reports 3, 1314 (2013);）

　　2013年消息：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米中心研究人員與安徽大學(xué)合作，利用水熱的方法制備了三維結(jié)構(gòu)的還原石墨烯/α-Fe2O3復(fù)合水凝膠，首次發(fā)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的石墨烯基復(fù)合材料有著優(yōu)異的微波吸收性能。在頻率為7.12千兆赫茲時，復(fù)合水凝膠達(dá)到最低反射損耗-33.5 dB； 在厚度僅為3毫米時達(dá)到最寬的低于-10dB（90%的電磁波被吸收）的吸收帶寬-6.4千兆赫茲（從10.8到17.2千兆赫茲)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際核心期刊《材料化學(xué)A》上（J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 8547）。

　　2014年消息：西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院吳邊副教授通過化學(xué)氣相沉積法制備了多層大尺寸透明石墨烯薄膜，通過堆疊多層石墨烯薄膜和透明石英基片的方法實現(xiàn)了寬帶的Fabry-Perot諧振，然后將透明合成材料貼附在金屬表面實現(xiàn)寬帶吸波，最終利用毫米波反射測量驗證了該石墨烯透明吸波器在125-165GHz范圍內(nèi)吸收率達(dá)到90%以上。這一成果是吳邊副教授在倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院公派留學(xué)期間與劍橋大學(xué)石墨烯研究中心合作完成的。該成果很好地解決了透明吸波材料在寬頻帶的應(yīng)用問題，為石墨烯納米材料在毫米波和太赫茲通信領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要參考，在隱身材料方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。研究成果《Experimental demonstration of a transparent graphene millimetre wave absorber with 28% fractional bandwidth at 140 GHz》 2014年2月14日發(fā)表在《Nature》子刊 《Scientific Reports》上。

　　2015年6月消息：武漢光電國家實驗室超快光學(xué)團(tuán)隊陸培祥教授、王兵教授、博士生柯少林等針對十字形石墨烯陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬。研究表明，在紅外和太赫茲波段，陣列結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的表面等離激元共振可以有效地增強(qiáng)石墨烯對光的吸收。當(dāng)十字形結(jié)構(gòu)的臂寬增大時，即使石墨烯的占有率很低，也可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收。此外，增加石墨烯化學(xué)勢和電子弛豫時間可以顯著地增強(qiáng)吸收。研究表明，如果采用互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，吸收將會得到進(jìn)一步增強(qiáng)。利用多層結(jié)構(gòu)還可實現(xiàn)雙峰吸收和寬帶吸收。該研究成果系統(tǒng)展示了石墨烯周期微結(jié)構(gòu)的光吸收增強(qiáng)及其可調(diào)特性，在太陽能電池、發(fā)射器、傳感器、空間光調(diào)制器等光電子器件中潛在的應(yīng)用價值。

　　2015年9月消息：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室研制成功可集成的石墨烯量子芯片單元。該實驗室固態(tài)量子芯片組郭國平教授與合作者成功實現(xiàn)了石墨烯量子點量子比特和超導(dǎo)微波腔量子數(shù)據(jù)總線的耦合，首次測定了石墨烯量子比特的相位相干時間及其奇特的四重周期特性，并首次在國際上實現(xiàn)了兩個石墨烯量子比特的長程耦合，為實現(xiàn)集成化量子芯片邁出了重要的一步。系列成果分別在《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 115, 126804 (2015)]和《納米快報》[Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02400(2015)]上發(fā)表。

兩個石墨烯量子比特與超導(dǎo)微波腔長程耦合樣品圖和測量裝置示意圖

　　郭國平研究組在2008年提出將超導(dǎo)腔引入半導(dǎo)體量子芯片做量子數(shù)據(jù)總線的理論方案[Phys. Rev. Lett.101, 230501 (2008)]后，經(jīng)過近7年的努力先后攻克了石墨烯全電控單雙量子點的制備、石墨烯量子比特的設(shè)計構(gòu)造等系列難關(guān)，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型超導(dǎo)微波諧振腔，最終實現(xiàn)了超導(dǎo)微波腔與石墨烯量子比特的復(fù)合結(jié)構(gòu)。實驗測試表明該新型超導(dǎo)量子數(shù)據(jù)總線與石墨烯量子比特的耦合強(qiáng)度達(dá)到30MHz，在未來大規(guī)模集成的量子芯片架構(gòu)中將具有重要意義。

　　總結(jié)

　　IBM 公司負(fù)責(zé)科研的副總裁陳自強(qiáng)博士表示，石墨烯的一大優(yōu)勢在于其中的電子可實現(xiàn)極高速的傳輸，這對于下一代高速、高性能晶體管的研發(fā)來說是至關(guān)重要的。上述一系列技術(shù)突破清楚地表明了石墨烯在高性能器件和集成電路方面的巨大應(yīng)用前景。