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石墨烯知识小学堂第八课

文章出处:网络 人气:发表时间:2019-12-12 09:27
研究成果
最小最快石墨烯晶体管
        2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管,该产品每秒能执行1550亿个循环操作,比之前的试验用晶体管快50%。
        该晶体管的截止频率为155GHz,使得其速度更快的同时,也比IBM展出的100GHz石墨烯晶体管具备了更多的能力。
        IBM研究人员林育名表示,石墨烯晶体管成本较低,可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能,为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向,从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。
        该晶体管的研制是IBM承接美国国防部高级研究计划局的任务,研发高性能无线电频率晶体管,军方对此很感兴趣。它尚未可完全用于PC机,因为自然石墨烯中缺少能隙,石墨烯晶体管不具备数码切换操作需要的开闭比,从而在处理离散数码信号方面不如传统处理器。
        相比之下,石墨烯的连续能隙流使得其处理模拟信号的能力更强。通过使用IBM改良的“类金刚石碳”,石墨烯晶体管的温度稳定性更强。同时,它也是为止IBM最小的晶体管,选通脉冲宽度从550纳秒降到了40纳秒,而产品宽度为240纳秒。
2011年成果
        2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上,日本富士通研究所宣布,他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。富士通研究所的研究人员把原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底,在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜。
        大面积的石墨烯制备一直是个难题。富士通用上述方法制成了高质量的7.5厘米直径的石墨烯膜。在此基础上,再配置电极和绝缘层,制成了石墨烯晶体管。由于石墨烯面积较大,富士通在上面制成了几千个晶体管。石墨烯晶体管比硅晶体管功耗低和运行速度快,可制作出性能优良的半导体器件。如果改进技术后有望进一步扩大石墨烯面积,这样能够制作出更多的晶体管和石墨烯集成电路,为生产高档电子产品创造了条件。
        2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现,石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜,把红外线照射到石墨烯薄膜上,只需很短时间就能放射出太赫兹光。如果今后能够继续改进技术,使光源强度进一步增大,开发出高性能的激光器。
        研究团队在硅衬底上使用有机气体制作一层碳硅化合物。然后,进行热处理,使其生长出石墨烯的薄膜。该石墨烯薄膜只需极短暂的时间照射红外线,就能从石墨烯上发送出太赫兹光。,该团队正致力于开发能把光粒封闭在内部,使光源强度增加的器件,期望能够开发出在接近室温条件下可工作的太赫兹激光器。
        2010年,美国莱斯大学利用该石墨烯量子点,制作单分子传感器。莱斯大学把石墨烯薄片与单层氦键合,形成石墨烷。石墨烷是绝缘体。氦使石墨烯由导体变换成为绝缘体。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛,就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。
全球最小光学调制器问世 可高速传输信号 一秒钟内下载一部高清电影指日可待
        据美国媒体今晨报道,美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器,科学家表示,这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力,有望把互联网速度提高一万倍,一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的,研究论文于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表。这项研究的突破点就在于,用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料,做成一个高速、对热不敏感,宽带、廉价和小尺寸的调制器,从而解决了业界长期未能解决的问题。
        华人科研团队把石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部,建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器(调制器是控制数据传输速度的关键),把电子信号转化成光学信号传输数字信息。铜导线长距离传输速度最高可达100兆,而每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。如果把10个石墨烯调制器放在一起,传输速度可以达到百万兆,上网速度会比现在快1万倍。价廉物美是石墨烯调制器的另一优势,"市场上的光学调制器5250美元一个,而石墨烯调制器只需要几美元"。 相对于现有调制器几个平方毫米的体积,这种石墨烯调制器还具有体积小的优势,只有25平方微米,且仅有头发丝的四百分之一细,它可以放在电脑主板上的任何位置。张翔教授表示,新石墨烯调制器不仅可用于消费电子产品上,还可用于任何受限于数据传输速度的领域,包括生物信息学以及天气预报等,未来也会广泛应用于工业领域。
低成本石墨烯电池 或实现“一分钟充电”
        据了解,美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备,可以把充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在出版的《纳米快报》上。作为导电性、机械性能都很优异的材料,素来有“黑金子”之称的石墨烯在中国市场上的价格近十倍于黄金,超过2000元/克。
        新型石墨烯电池实验阶段的成功,无疑会成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛,而的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段,石墨烯储能设备的研制成功后,若能批量生产,则会为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。
首款手机用石墨烯电容触摸屏研制成功
        1月8日,江南石墨烯研究院对外发布,全球首款手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。该成果经上海科学技术情报研究所和厦门大学查实,显示为国内首创。
        江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司联合无锡丽格光电科技有限公司和深圳力合光电传感器技术有限公司共同研发的手机用石墨烯电容触摸屏项目,成功制成电容触摸屏手机样机,并完成了功能测试。这款透明到几乎用肉眼无法辨析的超级薄膜,具有现有智能手机触摸屏的基本功能,电容屏传感器整个触摸区域可以识别单指和双指触摸及进行画线动作,实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和旋转,而这只是石墨烯材料产品之一。
        据此前相关报道称,石墨烯的相关产品在国外还处于研发和概念机阶段,尚未有大规模制造及商业化。而此次首款手机用石墨烯电容触摸屏的成功研制,表明了石墨烯产品从实验室逐步走向了市场。
石墨烯光电传感器
        2012年8月,诺基亚的研发部门已经在着手研究石墨烯光电传感器,并且已经在美国专利和商标局注册了一项专利。
诺基亚石墨烯光电传感器原理
        在公布的专利描述中,带有石墨烯光电收集层的光电探测器/像素,由一些列手指状的电极被安置在石墨烯收集层上,用来收集光子透过时产生的电子空洞,石墨烯纳米带作为场效应晶体管对随之产生的电流进行放大,并将其转移到相连的电子控制元件上。多层探测和放大层被互相叠放,以此来吸收和过滤相应颜色的光。
石墨烯作为光电传感器材料的优势就在于其透光性。这种单层的六边形碳原子材料仅仅吸收2.3%的光,并使所有光谱的光均匀地通过(红外线、可见光和紫外线)。因此,对于诺基亚的团队来说,这在光线不足的条件下肯定比传统的CMOS传感器具备更好的性能。同时,石墨烯传感器比传统传感器薄许多,因此你的下一个4100万像素的PureView手持设备肯定不会是像诺基亚808那样的大块头。此外,石墨烯传感器比的CMOS在生产工艺和流程方面更简单,造价更便宜。
的石墨烯生产由于种种原因,还仅停留于实验室阶段,而用石墨烯制造的传感器,也表现出了照片响应差、噪音多等问题。因此诺基亚或许会不断提升和研发这种石墨烯光电传感器的性能。
国内首片15英寸单层石墨烯问世
        与现有手机触摸屏材料相比,石墨烯优点更多,被认为是世界上最薄、几乎完全透光、强度也最大的材料。,中科院重庆研究院正在与广东地区的风投机构商谈,力争让石墨烯在一年内实现量产。
        你想用上屏幕可以来回弯曲折叠的手机吗?采用石墨烯材料,就可能变成现实。采用可折叠屏幕后,即使手机屏变得更大了,但携带起来还是很方便。从中科院重庆绿色智能技术研究院(简称中科院重庆研究院)了解到,该院已经成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,这样的大尺寸,达到了国内最高水平。它或为手机、电脑等电子产品带来一场革命。
世界上最薄的纳米材料,透光性好,能折叠
        据介绍,石墨烯是由碳原子组成的单原子层平面薄膜,可以作为制备新型触摸屏的核心部分――透明电极的材料。
        与现有手机触摸屏材料相比,石墨烯优点更多,被认为是世界上最薄、几乎完全透光、强度也最大的材料。
        它究竟薄到哪种程度?中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞解释,石墨烯只有0.34纳米厚,粗略估计一下,一根头发丝的直径,大概等于十万层石墨烯叠加起来的厚度,所以用肉眼是看不见它的。它自身只吸收约2.3%的光,能够做到几乎完全透光,让触摸屏亮度更好,同时,还能保证很高的电导率,这对于过去那些触摸屏材料来说,是难以同时解决的。“过去认为钻石热导率最高,但是石墨烯是它的2倍。”
值得一提的是,石墨烯还具备很好的柔性,也即是说,它在一定程度上可以弯曲折叠,不会对屏幕造成损害。
        “从这些优点来看,石墨烯特别适合在电子信息产业中应用。像IBM、三星这些大企业,都相当关注它的发展。”史浩飞说。
成功制备7英寸的石墨烯触摸屏
        据悉,自2004年被发现以来,如何解决大面积、高质量石墨烯制备和快速高效转移两大关键问题,让石墨烯应用于透明电极中,一直困扰着很多研究者。
        “如果电阻触摸屏要采用这种材料,需要先在金属表面上催化生长石墨烯,再把它转移到适合的基底上,才能进行应用。”史浩飞告诉记者,这就相当于在一个足球场上铺一层薄薄的保鲜膜,要让它平平整整且完好无损,难度特别大。
        据介绍,通过“石墨烯透明电极关键技术”研究,他们采用工业原料如塑料、液态苯等作为有效碳源,在300℃的低温下生长出高质量的石墨烯。
新型石墨烯晶体管实现高开关比率
        英国曼彻斯特大学的科研人员设计出一种新型石墨烯晶体管,在其中电子可借助隧穿和热离子效应,同时从上方和下方穿越障碍,并在室温下展现出高达1×106的开关比率。
        石墨烯晶体管获得较高的开关比率一直难以实现,而有了高开关比,以及其在柔性、透明基板上的操作能力,新型晶体管能够在后CMOS设备时代占有一席之地,并有望达到更快的计算速度。相关研究发表在出版的《自然•纳米技术》杂志上。
        石墨烯晶体管多具有三明治结构,以原子厚度的石墨烯作为外层,而以其他超薄材料作为中间夹层。这些中间层可以囊括多种不同材料。在此次的研究中,科学家使用二硫化钨(WS2)作为中间层,其能够作为两个石墨烯夹层之间原子厚度的壁垒。与其他壁垒材料相比,二硫化钨的最大优势在于,电子可借助热离子运输方式从上方越过障碍,也可利用隧穿效应从下方穿过障碍。处于关闭状态时,极少电子能借助上述方式穿越障碍,但当调至开启状态时,电子既能选用一种方式逾越壁垒,亦能同时选择两种方式以实现类似效果。
        开关间切换会改变晶体管的栅电压。负栅电压会形成关闭状态,因为其会增加隧穿障碍高度,因此几乎没有电子能够越过壁垒。而正栅电压能通过降低隧穿障碍的高度使晶体管转换至开启状态。同时,如果温度足够高,亦可借助热离子电流从上方越过壁垒。在低电压和低温的情况下,隧穿电流与电压呈线性关联。但当处于高压下时,隧穿电流会随电压呈现指数增长,此时热离子电流就会成为主要的传输机制。
        利用上述特质和二硫化钨壁垒材料,新晶体管成为性能最佳的石墨烯晶体管之一。此外,由于仅具有几个原子层的厚度,新型晶体管能够耐受弯曲,未来更有望应用于柔性、透明电子设备的制造,成为后CMOS设备时代的有力备选。
碳海绵:碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙的三维多孔材料
        2013年3月,浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶――它刷新了世界上最轻材料的纪录,弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6。它的价值在于其简便的制备方法,以及材料所展现出来的优越性能。不需要模板,只与容器有关。容器多大,就可以制备多大,可以做到上千立方厘米,甚至更大。
        “碳海绵”具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,是已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而“碳海绵”的吸收量是250倍左右,最高可达900倍,而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快:每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。
纯石墨烯粉末制成柔性散热薄膜
        2013年4月2日,贵州新碳高科有限责任公司宣布研制成功出中国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。此次发布的中国首个石墨烯粉末应用产品“柔性石墨烯散热薄膜”,由贵州新碳高科有限责任公司研发和生产,由上海新池能源科技有限公司提供稳定的、量产规模的石墨烯粉末。新碳高科建立了年产2万平米生产线,已成功生产1000平方米石墨烯柔性散热薄膜产品。该产品采用了单片厚度1-5个原子层,横向尺寸0.5-5微米,比表面积500-1000m/g的高质量石墨烯粉末,通过制备高浓度不团聚的石墨烯溶液,利用辊涂技术(Roll to Roll)形成有良好定向性的石墨烯微片层状结构,然后在高温特定气氛下还原,使石墨烯微片边缘晶粒长大,最后扩展成为大面积连续二维结构的石墨烯柔性散热薄膜。产品热扩散率达到700-900M2/S,热导率在800-1600W/(mk)。其散热效果比常用的散热材料铜(热导率429W/(mk)要提高2-4倍,而且具有良好的可加工性能。
南开大学研制成功石墨烯材料 可用光驱动飞行
        2015年6月,南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授领导的科研团队经过3年的研究,获得了一种特殊的石墨烯材料,这种材料可在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行,其获得的驱动力是传统光压的1000倍以上,“光动”飞行或将成为可能。
纺丝级单层氧化石墨烯规模化量产
        2019年6月6日,由浙江大学高超教授团队成果转化并建设的全球首条纺丝级单层氧化石墨烯十吨生产线试车成功。国际石墨烯产品认证中心为该生产线生产的单层氧化石墨烯及其应用产品多功能石墨烯复合纤维分别颁发了全球首个产品认证。