石墨烯的超高電子遷移率和極高的熱導(dǎo)率的優(yōu)良特性，在毫米波、亞毫米波乃至太赫茲器件、超級計(jì)算機(jī)等方面具有重大的應(yīng)用前景。石墨烯晶體管成本較低，可以在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，為石墨烯芯片的商業(yè)化生產(chǎn)提供了方向。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，有望突破當(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)高性能雷達(dá)系統(tǒng)、高頻寬帶通信技術(shù)、新型高分辨成像技術(shù)、超級計(jì)算機(jī)技術(shù)提供新的思路和解決方案。這些系統(tǒng)應(yīng)用于軍事裝備，可以大大提高我軍在3mm波段的電子對抗、通信、雷達(dá)系統(tǒng)的水平，實(shí)現(xiàn)我們信息化和自動(dòng)化的新的跨越。石墨烯的超高電子遷移率，在毫米波、亞毫米波乃至太赫茲器件、超級計(jì)算機(jī)等方面具有重大的軍事與民用前景，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(jì)算機(jī)技術(shù)提供新的思路和解決方案。

國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2004年英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·K·海姆課題組首次找到一種把石墨層粘貼在透明膠上，然后反復(fù)數(shù)次把石墨與膠帶分開，最后得到石墨烯（石墨單層）的方法，并制作出了世界最小晶體管，由此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于石墨烯嚴(yán)格的二維結(jié)構(gòu)，它蘊(yùn)涵著許多新的物理以及潛在應(yīng)用，因此它成為目前科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

自2004年Andre.K.Geim教授和Kostya.Novoselov研究員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，下圖表示出了近幾年石墨烯的文章SCI收錄情況，以每年翻番的速度增長。

近幾年石墨烯的文章SCI收錄情況

早在1999年，Lu等就用氧等離子刻蝕，在以SiO₂為基底的高定向熱裂解石墨上刻蝕出了厚度約為200nm的石墨層。G．Chen等采用超聲波粉碎經(jīng)過酸插層的膨脹石墨，首次大量制備出厚度幾十納米的納米石墨微片。Liu等首次報(bào)道了用水合聯(lián)氨還原聚苯胺插層氧化石墨化合物，還原后化合物的導(dǎo)電性增加了1個(gè)數(shù)量級。2005年Srivastava等采用微波增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，在Ni包裹的Si襯底上生長出了20nm左右厚度的“花瓣?duì)?rdquo;的石墨片，并研究了微波功率大小對石墨片形貌的影響。2006年Niyogi等研究了用十八胺對氧化石墨表面進(jìn)行改性，制得長鏈烷基改性石墨。Li等在Stankovich等研究的基礎(chǔ)上，利用還原氧化石墨的方法在沒有任何化學(xué)穩(wěn)定劑的情況下，通過控制石墨層間的靜電力，制備出了在水中穩(wěn)定分散的石墨烯溶液。2007年，Zhu等通過調(diào)整合成碳納米管的參數(shù)，在沒有催化劑的情況下用電感耦合頻射等離子體化學(xué)氣相沉積法在多種襯底上生長出了納米石墨微片。這種納米薄膜垂直生長在襯底上，類似于Srivastava等的“花瓣?duì)?rdquo;納米片。

2006年，Heer等首次將SiC置于高真空，1300℃下，使SiC薄膜中的Si原子蒸發(fā)出來，生成連續(xù)的二維石墨烯薄膜。這種方法制備出來的二維石墨烯薄膜厚度僅為1-2碳原子層。

2008年，Konstantin V. Emtsev等人在Ar氣保護(hù)氛圍下將SiC進(jìn)行高溫退火，相對Heer等真空退火的方法，制得的石墨烯薄膜的均勻性及質(zhì)量都大大改善。

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(cái)力。美國近年來對石墨烯的經(jīng)費(fèi)投入非常巨大，大大推動(dòng)了他們在該方面的科學(xué)進(jìn)展。在匹茲堡舉行的美國物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，石墨烯是科學(xué)家們談?wù)摰闹饕掝}。研究人員用23場討論分會(huì)探討有關(guān)這種材料的問題。

韓國科學(xué)家在制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜方面取得了突破性進(jìn)展。根據(jù)《Nature》報(bào)道，韓國研究人員近日發(fā)現(xiàn)了一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方法。這種石墨烯薄膜不僅具備高硬度和高拉伸強(qiáng)度，其電學(xué)特性也是現(xiàn)有材料中最好的，這些單原子層厚的碳薄片是非常有前途的材料。可惜這種材料是在金屬襯底上制備的，不適合做微波高頻器件。

2011年，美國賓夕法尼亞大學(xué)研制出100mm直徑的石墨烯晶片。

2011年初，美國普渡大學(xué)研制出SiC上石墨烯材料的遷移率為18700cm²V^-1s^-1。

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(huì)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(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象。因此，如何減小1/f噪聲成為實(shí)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

2008年6月底，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(duì)通過控制SiC形成時(shí)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(duì)利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為20%，因而不能制成可實(shí)際應(yīng)用的器件。

2009年5月，HRL實(shí)驗(yàn)室宣稱在高質(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(yùn)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。源極和漏極接觸是鈦、鉑和金的合金，使用原子層沉積技術(shù)制備20nm厚的氧化鋁柵電介質(zhì)，事實(shí)上這樣做捕獲了界面電荷，可能會(huì)導(dǎo)致器件性能下降。

HRL實(shí)驗(yàn)室在2英寸石墨烯薄膜上的射頻場效應(yīng)晶體管

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