于慶凱，材料科學家，中科院上海微系統與信息技術所石墨烯作為一種納米材料經常出現在新聞裡，它被媒體鼓吹為“新材料之王”，這是言過其實？還是确有其事？看上去，這種“新材料”與我們的距離非常遙遠。而實際上，它早已出現在生活之中，隻是沒被察覺罷了。

迄今為止，石墨烯是人類已知的強度最大的材料。也是世界上電阻率最小的材料。由于以上特性，石墨烯成為了一種良好的導體，能夠用來制作光闆、太陽能電池及透明觸控屏幕等具有高科技含量的産品。還能減少噪音，進行電子基因測序等。

什麼是石墨烯材料？

石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之後，這種隻有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

自從石墨烯在2003年被發現以來，研究者發現它具有優異的強度、導熱性和導電性。最後一種性質使得這種材料非常适合用來制作電路中的微小接觸點，但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特别是晶體管。

要做到這點，石墨烯不僅需要充當導體，也要有半導體的功能，這是電子元件需要進行的通斷切換操作的關鍵。半導體由其帶隙所定義的，帶隙指的是激發一個電子，讓它從不能導電的價帶躍遷到可以導電的導帶所需要的能量。帶隙必須足夠大，這樣來使得晶體管開和關之間的狀态才對比明顯，這樣它才能準确無誤地處理信息。

常規的石墨烯是沒有帶隙的——它特殊的波紋狀價帶和導帶實際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。盡管如此，科學家們試圖分開這兩個帶。通過把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀，目前最高可以讓帶隙達到100meV，但這對電子工程應用來說還是太小了。

相對于通過前端設計提升微結構來提高芯片性能，通過後端設計來提升主頻顯然更加簡單粗暴，研發周期也更短(微結構研發一般要3年)，更适合商業推廣。

矽基材料集成電路主頻越高，熱量也随之提高，并最終撞上功耗牆。目前矽基芯片最高的頻率是在液氮環境下實現的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，那麼結果就可能不同了。因為相對于現在普遍使用的矽基材料，石墨烯在室溫下擁有10倍的高載流子遷移率，同時具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比矽基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達155G。

因此，在前端設計水平相當的情況下，使用石墨烯制造的芯片要比使用矽基材料的芯片性能強幾十倍，随着技術發展，進一步挖掘潛力，性能可能會是傳統矽基芯片的上百倍！同時還擁有更低的功耗。

神奇的材料之王？

石墨烯的發現者之一、2010年諾貝爾物理學獎得主安德烈·海姆這樣描述：“石墨烯對很多人來說就像愛麗絲仙境一樣，非常神奇。”

這種神奇物質到底是什麼？

石墨烯，實際就是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的隻有一層原子厚度的二維晶體。鉛筆芯用的石墨就相當于無數層石墨烯疊在一起。

“它是迄今為止自然界最薄、強度最高的材料，可以被無限拉伸，彎曲到很大程度而不斷裂，還可抵抗很大的壓力。”安德烈·海姆介紹。

此外，它還有着非同尋常的導熱性和導電性。據悉，石墨烯是世界上最導電的材料之一，大約百分之一的石墨烯混添加到塑料中就可以将它們變成導體。重量也極輕，同樣厚度是鋼強度的200倍，卻可以以100萬米/秒的速度傳輸電子。石墨烯既可以作為導體材料，又可以作為半導體材料。它是已知物體中室溫導電率最高的材料，比最好的導體金屬如金或銅高出幾個數量級。

“石墨烯導電率高，化學結構又十分穩定，是一種用于移動電池、電源很理想的電極材料。”中國科學院院士、中國科學院金屬研究所研究員成會明表示，石墨烯可以和電子元件、電子設備進一步結合使用，以此提高其他儲電設備的儲電率。

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