石墨烯科技路线图

1. 引言
这一路线图的主要目标是引导社会朝着石墨烯基材、相关二维(2d)晶体和杂化体系产品的方向发展。简单起见,我们把石墨烯及相关材料构成的新型材料平台缩写为GRM。这些材料的综合性质使其成为许多应用中的关键性要素,并且能够制造出现有技术或材料无法(或难以)制造的新产品。只要满足一定的条件,基于GRM材料的新的颠覆性技术创造就可以成就一系列制造目标,可以克服从材料到元件、再到系统,这一整条价值链中出现的挑战。
主要的科学与技术目标如下:
A)材料技术
确定新型层状材料并进行潜力评估。
实现可靠的、重现性好、可持续且安全的GRM材料的大规模量产,从而满足不同应用领域的特定需要。
本报告为11个主题章节,如图2所示。每一个章节都有一个专用的时间线。最后一章用两幅路线图做了一个全面总结。
目前的STR路线图可能无法全部呈现出来,还有一些正快速发展的前沿领域有待我们研究。我们计划在未来的10年中定期进行路线图的更新,时时掌握GRM在科技领域的最新发展动态
B)元件技术
确定新型GRM材料设备的设计理念。
确定GRM元件的技术
电子元件技术,包括:高频电子元件、光电元件、自旋电子元件和传感器
C)系统集成
将GRM元件和结构添加到新系统中,使系统增加新功能,开辟出新的应用领域。
在现有的技术平台集成GRM材料的新理念。
纳米复合材料、柔性电子元件和能源应用的集成路线。
我们的科技路线图(STR)概述了GRM知识库开发的主要途径、新设备的生产方式和发展方法,最终目的在于实现新系统与GRM材料的集成。在信息与通信技术(ICT)领域,我们的STR侧重于能够创造新型应用的技术,如“变形”概念(图1a)。这一概念利用GRM材料的电气性能、光学性能和机械性能来创造新型的个人通讯系统。在物理通讯领域,STR的目标在于能源生产和存储、新型实用轻质复合材料等几个关键技术。这些技术将集成于运输系统中,如新型飞机、巴士、轿车(如SmartForVision电动概念车,图1b)。STR也考虑到了健康和能源领域。利用GRM的独特电气性能和光学性能,STR将重点开发高新信息处理与通讯系统。

图1“变形”1(左图)和SmartForVision2(右图)都是基于GRM的幻想应用,这些新产品将GRM的独特性能集于一身。

图2.各个主题及其符号。在本文中,当表示/代指工业生产/大规模量产时,符号将被替换为

这些主题中包括具备新功能的充电高速电子设备和非充电设备(如自旋电子设备)。利用先进方法制造GRM产品将成为未来的关键领域,我们将以环保可持续的手段将GRM材料的结构功能集成于电子元件中。STR的范围远超主流ICT,它将GRM材料的化学、生物和机械性能集成于新型传感器应用以及多种复合材料中。超越了ICT的范畴,STR还触及到几个相关的领域。
石墨烯的导电性σ较高,单位质量的表面积大,这些特性使石墨烯成为一种能源储存的特殊材料,如在新型电池和超级电容器中的应用。这些应用可能对便携式电子设备和其他关键领域,如电动车产业,产生很大的影响。快速轻质可充电电池的前景广阔,其环保理念将推动交通产业的发展,促进电动车的大规模应用,成为城乡交通的一个关键组成部分。这些坚固而轻质的复合材料使我们用更少的材料和能源,制造出更新型的汽车、飞机和其他产品,还符合世界的可持续发展原则。见图3。

1.1 石墨烯基材的颠覆性技术:概述
技术和经济上的提高,通常依靠增量开发(如:调整芯片的尺寸和芯片上晶体管的数量)或量子跃迁(从真空管到半导体技术的变革)。这些变革背后体现出的颠覆性技术,通常具有普遍性、通用性,其产品将改变我们生活的方方面面,并渗透到世界的每个角落。颠覆性新技术的创造需要的不是增量开发,而是成数量级的飞跃。此外,技术应用的范围越普遍,成功的机会就越大。这个道理可以概括为2000年诺贝尔物理学奖得主,赫伯特•克勒默的“新技术引理”,他专注于ICT基本原理的研究,他认为:“能够创造主流应用的高新技术一直都是——并将继续是——颠覆性技术”。而石墨烯也不例外。那么石墨烯有机会成为下一个颠覆性技术吗?石墨烯又能否成为21世纪的主流材料那?
就其性质而言,它确实具有潜力。与其他普通电子材料,如普通半导体相比,2010年诺贝尔物理学奖更关注一些十分新颖的物理性能,而石墨烯正好具备这些独特的性能。因此,人们已经从石墨烯上发掘出了许多优秀的性能。许多性能都独一无二,且优于其他材料。更重要的是,这些性能的结合在其他材料或材料系统中前所未见。因此,问题不是石墨烯能不能制造产品,而是石墨烯可以制造多少种产品;以及它将变得多么普及。但实际上,很多“奇迹”材料却有负众望,也没有带来科技革命,反而一些更“普通”的材料却遍地开花。石墨烯会不会也因为自身过于独特的性能,而在新技术的发展中遭遇同样的挫折,因其漫长的研发(R&D)和资本投入过程,也最终不了了之?但是我们的GRM材料研发活动正在不断推进,GRM材料在工业应用上的尝试已经取得了显著的进展。

图3 石墨烯在不同行业中的应用概述,包括:导电油墨、化学传感器、发光器件、复合材料、能源、触摸屏和高频电子元件

图4石墨烯生产的快速演变:从微尺寸鳞片石墨生产到到卷带式生产。(30英寸)
石墨烯的生产是科技快速发展的一个突出实例。从实验室里微尺寸鳞片石墨的随机生成到大规模卷带式(R2R)多层石墨烯加工,石墨烯的尺寸度量单位现已接近米(图4)。
同时,随着GRM产业的快速发展,在未来的几年中我们将会遇到更多的技术难关(图5)。

图5  GRM朝着消费品的方向发展
因此,虽然GRM材料的新功能有待研究,GRM技术的成熟度有待提高,但我们还是可以设想一下初步的路线图,包括短期的里程碑和一些中长期目标,不必很详细,但潜在的颠覆性要更大。初步的路线图将引导GRM材料向一种专业的技术平台过渡,该技术将有机会使许多领域,甚至整个社会获益。

1.1.1 机遇
基于GRM材料制造出的新型产品预计会对多个技术领域产生重大影响(见表1)。如电子领域的潜在应用,包括:高频电子元件、触摸屏、柔性穿戴式电子产品、超灵敏传感器,纳米机电系统(NEMS),超高密度数据存储,光子元件等。还有能源领域的应用,包括:可以存储和传输电能的电池和超级电容器、太阳能电池等。然而,就中期而言,石墨烯的主要潜力在于电光的传输能力,如改善发光二极管(LED)的性能、创造更加灵活的触摸屏、光电探测器和超快激光等。

GRM生产规模不断提升,但材料的性能表现不能缩水,所以我们仍然面临挑战,无论是材料/能源型应用的批量生产,还是不同等级的晶圆集成技术/ICT型应用。然而,GRM材料技术有望发展成为一个高新产业平台,将会促进影响社会和经济的关键技术领域。我们不能为GRM的“质量”下一个绝对定义,但我们对GRM型应用的定义将会严格要求。例如,石墨烯高性能电子元件要求的“质量”与石墨烯电池或超级电容器刚好“相反”;因为后者的制造中,选用有缺口、空隙或空洞的材料更好,而前者则要求扁平型材,完好无缺。这对材料的标准化是一个挑战,因为材料的性能会因具体应用而不同。
1.1.1.1 电子行业的新机遇
我们将在集成电子系统中引入更多的功能,以实现家庭智能化(即通过分布式传感器、执行器和控制器实现的家庭自动化)、环境控制、以及办公自动化,满足社会对安全、健康和舒适的更高要求。自动化程度的提高还应考虑到老年人群和在职人群的需求,以及是否有足够的设施。GRM材料传感器或计量仪器的混合电路功能可以进行进一步的拓展。流体硅可以用于GRM材料设备的三维(3d)集成,这种方法将成为低成本、功能扩展型芯片的解决方案。
石墨烯的性能有很多,见图6。它像塑料一样透明(或者比塑料更透明),但它的导电导热性又比任何金属都好,它是一种有弹性的膜,可以看作一种防渗膜,它在化学上属于稳定的惰性物质。因此,它似乎是下一代科技中,理想的透明导体。在各种类型的显示器和触摸屏的制造中,我们需要找一种物质来代替铟锡氧化物(ITO),这是因为铟具有脆性,当需要制造有灵活性的产品时,就会出现困难。而石墨烯就是一种理想的替代物。而且,石墨烯富含碳元素,它将更适合成为ITO的可持续替代物。我们已经制造出石墨烯显示器的雏形7,石墨烯的商品化时代即将到来。
2010年,人们利用R2R工序制造出了第一个30英寸的石墨烯透明导体(TC),它的薄层电阻(Rs)较低,透光率(Tr)达到90%,可以与商用透明电极,如上述的ITO相媲美。石墨烯电极应用在耐高压全功能触摸屏的制造中。因此,GRM材料在柔性、便携式和可重构电子元件中的应用可以想见,如“变形”概念1(图1和图7)。

图6 石墨烯的性能及其应用领域

图7 诺基亚“变形”概念:1未来的移动设备将成为一个网关。它将成为本地环境、用户和全球互联网之间连接的桥梁。移动设备将变得更加人性化,甚至形状都会根据屏幕的内容而改变。手机可以依旧坚硬平直,也可以变成灵活的软体,甚至可以伸缩。

图8  TRL定义,改编自参考文献21

高速石墨烯电路已经显示出一片新天地,这种电路拥有高带宽,可能会影响未来的低成本智能手机和显示器市场。
目前应用于集成电路中的互补金属氧化物半导体技术正在迅速靠近晶体管精简尺寸的极限,半导体的国际技术路线图可能使石墨烯成为后硅时代的电子元件(ITRS)备选材料。然而,满足所有互补金属氧化物半导体技术要求的石墨烯基低功率设备尚未得到证实。由于生产石墨烯电路所需的技术仍处于起步阶段,所以在平坦介质表面上,具备良好电气性能的大面积薄膜的增产尚未得到证实。同时,也需要开发未必基于石墨烯带的新型架构。
2011年,参考文献11发布了第一个晶圆级石墨烯电路(宽带混频器),其中所有的元件,包括石墨烯场效应晶体管和感应器,都集成在一片碳化硅晶圆上。该电路属于宽带射频(RF)混合器,其频率高达10 GHz,热稳定性高,性能折损小(小于1分贝),温度(T)的范围达到300-400 K(开氏温度)。这表明我们可以制造出功能复杂,性能强大的石墨烯器件。
厚度只有一个原子大小的石墨烯很有机会最终成为新一代的柔性电子器件材料。如果能用塑料或纸来制造电子元件,那么成本将会大幅降低。如果可以实现,它将带动一种利用日常用品制造电子元件的趋势,例如使用食材,以保证安全和健康;或者使用许多的其他产品。条形码可能无法存储所有需要的信息。磁条或独立存储器也无法做到而在无线网络中,能实现互动的有源电子设备却可以。GRM材料无源元件(电阻、电容器、天线)、二极管(肖特基二极管)或简单的场效应管的开发很有可能实现,该方向的技术正快速发展,我们有望在无线网络环境中创造一个RF柔性电路。
利用GRM材料可以制造出模块化集成的柔性和薄型电子元件,或者实现薄型便携式设备的装配和分布。石墨烯可以承受的机械变形作用,耐折叠而不断裂。18因此,我们可以利用电子能带结构的“应变工程”来调整石墨烯的性能。我们还可以设计各种形式丰富多样的新型可折叠设备,创造集成与分步的新理念。
如果柔性电子产品得以实现,GRM材料将把现有的知识库和各种组织的基础设施应用到有机电子元件中(显示器中的有机发光二极管、导电聚合物、塑料制品、可印刷电子元件),为许多分布式技术能力的集合与支撑提供一个协同框架。
1.1.1.2新的能源解决方案。
GRM材料将为当今的能源生产和存储问题带来新的解决方案,首先是纳米增强产品,然后是新的纳米产品。如果目标技术达到工业应用要求的技术成熟度等级 (TRLs) ,那么基于GRM材料的能源生产系统(光伏技术、太阳能电池、燃料电池)和储能(超级电容器、电池、氢存储)系统就有可能实现。TRLs用于评估技术发展的成熟度。美国国家航空航天局常用的技术成熟度等级标准,如图8所示:1. 发现和报告技术基本原理;2. 阐明技术概念和/或应用;3. 通过分析和实验对关键功能和/或特性进行概念验证;4. 实验室环境下的部件和/或原理样件的功能验证;5. 相关环境下的部件和/或原理样件的关键功能验证;6. 在相关环境下用模型演示技术单元的关键功能;7. 用模型演示技术单元在使用环境下的性能;8. 完成实际系统,并获准运行;9. 实际系统通过成功运行而得到验证。
此外,石墨烯技术可以提供新的电源管理解决方案,关键是可以提高能源的效率和安全性。目前在欧洲,近60%的能源用于电力消耗(如:照明,电子元件,电信,电机控制)。剩余40%的能源基本用于交通运输领域。

1.1.1.3新的技术与材料:向高新技术平台迈进。
GRM材料可能不仅有利于现有技术的改进,如电子元件和光电元件,还可能促进目前受阻于固有局限性的新技术的实现。GRM材料相对于其他常见的材料,具有很多不同的物理性质,有机会将目前只在理论上可行的技术理念转化为现实。

比如自旋电子元件,这种新兴技术不使用电子电荷,而使用自旋作为承载信息的自由度标准,其主要优势在于每次计算时,可以消耗更少的功率。虽然自旋效应,即巨磁电阻——在硬盘技术中已经成为一种基本的工作原理,但利用自旋电子器件替代互补金属氧化物半导体的情况尚未出现。科学论文已经强调过,石墨烯的性质适合研发自旋电子器件,而且现在很多的机构也正在着力于此。
石墨烯可以创造全新的技术,如所谓的“能谷电子”,这种技术利用石墨烯载流子特有的“同位旋”效应作为承载信息的自由度标准。此外,有一些还未经实验论证的理论推测,如“手性超导性”,这种技术可能创造全新的应用。
就这几个例子来说,鉴于GRM材料的突出特性,我们认为今后的几年中将会有一些新的应用诞生。石墨烯也有望成为一种新的工程材料,具体的实例有很多。石墨烯的“全平面”性质使我们可以通过表面处理(如采用化学修饰法)来调整其性质。例如,石墨烯已被改造为一种带隙半导体(氢化石墨烯或“石墨烷”)或一种绝缘体(氟化石墨或“氟化石墨烯”)。此外,石墨片可以放在分散体中。分散体可以保留石墨烯的许多优异性能,还可以提高复合材料(如嵌入到高分子基材中)的性能表现。
石墨烯不仅因其自身性质而十分重要,也因为它是一种典型的新型材料,这种材料将随着石墨烯技术的崛起而兴盛起来。一些实例已经见诸报道,如六方氮化硼(h-BN)和单层辉钼矿。
自从1923年狄金森和鲍林研究过单层辉钼矿的晶体结构后,到了六十年代,辉钼矿的研究已经扩展到数层(1963年,有报道称剑桥大学的frindt在创业试验中可能观察到了单层的二硫化钼),而在1986年,单层二氧化钼得到证实。这类二维晶体的装配一般通过不同原子面(异质)的堆叠或者改变同质原子面的堆叠顺序来实现,这种装配形式为新型定制材料提供了丰富的工具集。我们希望利用石墨烯科技研究中总结的经验教训,进一步推动更多其他创新材料的制造。
依照现有水平,要制造一种电子设备(如一个手机),需要利用多种不同的技术手段,进行多种元件的装配。由于GRM材料具有许多特性,所以它有可能成为一个综合技术平台,满足各种不同的设备的组件装配需求,如:晶体管,电池,光电元件,探测器,太阳能电池,光电探测器,超快激光器,生物分子理化传感器等。这种典型设备制造方式的改变将带来产业发展的新机遇。

原文始发于:石墨烯科技路线图


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