近日，中国天津大学及美国佐治亚理工学院研究人员研究的关于石墨烯制成的功能半导体论文发表在了权威期刊《Nature》杂志上，为开发全新电子产品打开了大门。

据悉，该论文名为“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”（《碳化硅上的超高迁移率半导体外延石墨烯》），论文的共同第一作者为赵健、纪佩璇、李雅奇、李睿四人以及其余多位署名作者。该团队指导教师天津大学讲席教授，天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心执行主任马雷表示，这应该是世界上第一个石墨烯制成的功能半导体。

据悉，石墨烯是由已知最强的键连接在一起的单片碳原子。半导体是在特定条件下导电的材料，是电子设备的基本组件。石墨烯电子学中长期存在的问题是石墨烯没有合适的带隙，并且无法以正确的比率打开和关闭。多年来，许多人尝试用各种方法来解决这个问题。最新技术实现了带隙，这是开发基于石墨烯的电子产品的关键一步。

科技日报最新消息显示，研究团队在使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯时取得了突破。他们生产了外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层。研究发现，当制造得当时，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并开始表现出半导体特性。

但要制造功能性晶体管，必须对半导体材料进行大量操作，这可能会损害其性能。为了证明他们的平台可作为可行的半导体发挥作用，该团队需要在不损坏它的情况下测量其电子特性。他们将原子放在石墨烯上，利用掺杂技术向系统“捐赠”电子，用于查看该材料是否是良好的导体。测量表明，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍。换句话说，电子以非常低的阻力移动，这在电子学中意味着更快的计算。研究人员表示，这就像在碎石路上行驶与在高速公路上行驶一样。它效率更高，升温幅度不大，并且速度更高，因此电子可移动得更快。

新开发的产品是目前唯一具有用于纳米电子学的所有必要特性的二维半导体，其电学特性远远优于目前正在开发的任何其他二维半导体。

研究人员表示，外延石墨烯可能会引起电子领域的范式转变，并导致利用其独特特性的全新技术。该材料允许利用电子的量子力学波特性，从而满足量子计算的要求。


制备这个难题能被解决吗？

虽然石墨烯能隙这个问题有了解决方法，但要让石墨烯半导体真正应用到产业，还存在着第二个问题——如何大规模生产。

研究中，比较关键的点在于SEG晶格与SiC衬底对齐，在化学、机械和热学方面都具有坚固性，可以使用传统的半导体制造技术进行图案化并无缝连接到半金属外延石墨烯上。

用人话解释就是，石墨烯在碳化硅衬底上直接生长的优势在于：

省却石墨烯转移步骤，避免了转移过程对石墨烯薄膜造成的污染及损伤；

可与现在的硅工艺兼容从而便于实现大规模量产；

生长温度和石墨烯形成率都是可控的。

总的来说，研究中，石墨烯大规模应用更方便了，但在现阶段，实现大规模应用还有很大差距，远不及硅，主要有三个问题表现：

半导体领域中石墨烯只能用CVD法制备，价格昂贵，成品率低，如何实现石墨烯规模化生产是个亟待解决的问题；

石墨烯作为一种2D平面材料，有较严重量子效应，边缘态和晶态均很大程度影响电子结构和电性质；

需要深入研究石墨烯的导电性，使石墨烯集成电路有更优异的性能。

以上问题体现在产业中，就是制备起来贵：利用化学沉积法制备石墨烯的工艺价格昂贵，无法规模化生产；外延生长法制备的石墨烯层数无法准确控制；机械剥离法效率低价格高；Hummer 法制备石墨烯结构受到破坏。难点在于石墨烯的剥离、生长以及规模化制备的不一致性、不稳定性和低质量。

也就是说，迄今我们还没有规模化制备石墨烯产品的能力，产品要走出实验室、规模化发展，需要具有很高的质量和极强的一致性、稳定性。只有找到一种价格低廉，同时在技术成熟度、获取方便度方面都有所突破，石墨烯才能真正进入产业。

何为石墨烯？

一种未来革命性的材料

记者查阅资料发现，石墨烯是碳的同素异形体，利用石墨烯这种晶体结构可以构建碳纳米管、纳米带、多壁碳纳米管，它具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被专家认为是一种未来革命性的材料。

英国曼彻斯特大学物理学家：安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，由于成功从石墨中分离出石墨烯，获得2010年度诺贝尔物理学奖。石墨烯从此进入大众视野，成为材料家族中光芒四射的“新星”。

在材料大家族中，石墨烯只是个“晚辈”，但石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使得此前一些只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验进行验证。在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质—因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述。

近年来，石墨烯的研究与应用开发持续升温，研究者们致力于在不同领域尝试不同方法以求制备高质量、大面积石墨烯材料。通过对石墨烯制备工艺的不断优化和改进，降低石墨烯制备成本使其优异的材料性能得到更广泛的应用，并逐步走向产业化。


2025年整体产业规模突破千亿

如今，石墨烯已上升为国家战略级产业，各级政府和有关部门根据国家总体规划纷纷出台各地配套政策与措施，推进石墨烯科技研究与产业化进程。根据工信部发布的《中国制造2025重点领域技术路线图》，到2025年，高质量石墨烯粉体年产达可达万吨级以上，薄膜年产达上亿平方米，实现8英寸石墨烯芯片批量生产，突破石墨烯在电子信息领域应用的技术瓶颈，整体产业规模突破千亿。

从产业链角度来看，石墨烯行业产业链上游主要为石墨、甲烷等含碳原材料及相关石墨烯制备设备；中游为石墨烯生产供应厂商；下游广泛应用于锂电池、超级电容、光伏电池、油墨涂料、散热材料、触控面板、电线电缆等行业。

那么我国在产业链中，又有哪些优势呢？上游方面，中国是全球最大的石墨生产国，近年来中国天然石墨产量平稳，初步统计2022年产量121.4万吨；下游方面，新能源导电剂用石墨烯是我国石墨烯最大应用领域，是行业增长的主要驱动来源。同时随着我国新能源汽车行业的飞速发展，锂电池行业也随之快速发展，下游需求增加促进了我国石墨烯行业的发展。

总之，政策的推进有助于这个石墨烯行业从兴起走向高速发展，而产业优势也将我国摆在了全球石墨烯行业的前列。专家预计2023年我国石墨烯产业市场规模将达367亿元，未来预计产业规模将进一步扩大。

我国石墨烯全产业链布局已见雏形

目前，我国石墨烯全产业链布局已见雏形，基本上覆盖了从上游原材料到石墨烯材料制备，再到下游应用的全环节，石墨烯的研究和产业化发展持续升温，未来将会应用于锂离子电池、锂硫电池、薄膜分离、超级电容器等制造中。

不过，由于石墨烯从发现至今仅经历10余年，其发展仍处于较新的阶段。一方面，尽管石墨烯在规模化生产技术和工艺装备等方面均取得重大进展，但其低成本规模化制备技术、下游应用技术、绿色制备技术等方面仍存在技术瓶颈，且产品普遍存在尺寸和层数不均匀、质量不稳定等问题，材料的各项性能指标远不及实验室水平，难以满足大规模工业化量产的需求，制约了石墨烯在下游应用领域的拓展。

另一方面，石墨烯产业化之路还存在其他一些障碍。比如，石墨烯在某些性能方面本身也存在竞争性材料，如碳纤维、碳纳米管、硅材料、石墨烯粉体等。石墨烯制备还存在着环境风险。氧化石墨烯制备过程中需要大量的酸、碱，材料本身具有较强的稳定性和极易扩散，对环境具有较大的风险。

由此可见，可控、宏量制备是任何新材料发展的首要、基础和关键问题。为了支撑石墨烯产业发展，其制备需要满足高质量、无缺陷或缺陷调控、绿色环保、低成本等要求。同时，石墨烯属于技术、人才和资金高度密集型的前沿新材料产业，只有跟下游应用深度融合，完全打开应用市场才能快速发展。