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- 發布時間2020-07-03 12:17
- 發布人金(jin)彩(cai)集團
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2010年，曼徹斯(si)特大(da)學兩位科學家因為對石墨(mo)烯的開(kai)創(chuang)性研究獲得諾(nuo)貝爾物(wu)理學獎。就(jiu)是從那年起(qi)，中(zhong)國科學院(yuan)上海微(wei)系統與信息(xi)技術研究所開(kai)始研制這種材(cai)料。可謂“十年磨一劍”，如今，謝曉(xiao)明研究員(yuan)團隊(dui)在高品質石墨烯電子(zi)材(cai)料制備方(fang)面取(qu)得(de)多項突破(po)，近日獲得(de)上海(hai)市自然(ran)科(ke)學獎一等獎。
為了(le)讓(rang)這類材料盡快產(chan)業(ye)(ye)化，中(zhong)科院上(shang)海(hai)微系統所與上(shang)海(hai)市石墨(mo)烯產(chan)業(ye)(ye)技術功能型平臺(tai)合(he)作，通過建設創(chuang)新(xin)實驗室，實現8英寸石墨烯單晶晶圓、4英寸鍺基石墨烯晶圓、大面積六方氮化硼介質薄膜的中試生產。謝曉明團隊還與國內、國際多家單位合作，實現了石墨烯在微電子、能源、生物醫學等領域的應用。
石墨烯制造芯片有四(si)大優勢(shi)
集(ji)成電路(lu)產業發展至今，芯片的(de)主(zhu)要材料一直是硅片。遵循摩爾定律(lv)（在(zai)價格不(bu)變情況下(xia)，集(ji)成電路(lu)上(shang)可(ke)容(rong)納的(de)元器(qi)件數(shu)目，每(mei)隔18—24個月增加一倍，性能也提升一倍），硅芯片的產業化工藝制程目前已縮小到5納米，工藝升級的難度越來越大。
如何突(tu)破摩爾定律遇到的瓶頸？用新(xin)型碳材(cai)料(liao)取代硅基(ji)材(cai)料(liao)，是業(ye)界(jie)普遍看好(hao)的解決方案。石(shi)(shi)墨烯就是一(yi)種(zhong)新(xin)型碳材(cai)料(liao)，它只有一(yi)個碳原子層厚度，強度極高，比表面積巨大，導熱導電性能優越。據(ju)謝曉明介紹，與硅基(ji)材(cai)料(liao)相比，將石(shi)(shi)墨烯材(cai)料(liao)用于制造(zao)芯片有四大優勢：一(yi)是單層石(shi)(shi)墨烯的厚度僅為0.27納米，在半導體工藝制程方面，遵循摩爾定律的發展潛力比硅基材料大得多；二是石墨烯的晶體結構讓自由電子遷移不受束縛，電子運行速度達到1/300光速，比硅芯片快100—1000倍；三是用石墨烯制造的處理器頻率有望達到1太赫茲以上，比硅芯片高100—1000倍；四是石墨烯可以制成柔性薄膜，讓電子產品能彎曲、更便攜。
因為(wei)這(zhe)些優越的性能，歐盟、美國(guo)、韓(han)國(guo)等多個國(guo)家和地區(qu)都在石墨烯微電子技(ji)術領域(yu)進(jin)行了布局。如(ru)歐盟的“石墨烯旗艦計劃”總投資10億歐元，推動石墨烯電子學應用等技術研發。
單晶(jing)晶(jing)圓生長(chang)創(chuang)造世界(jie)紀錄(lu)
然而，以石墨烯為代表的二維材(cai)(cai)料(liao)(liao)在替(ti)代傳統半導體材(cai)(cai)料(liao)(liao)道路上，也(ye)面臨著(zhu)許多挑戰。就像制造硅芯片(pian)的原材(cai)(cai)料(liao)(liao)是一片(pian)片(pian)硅單晶晶圓，二維微電子材(cai)(cai)料(liao)(liao)的器(qi)件應用(yong)也(ye)需要制備出(chu)石墨烯晶圓。“高質量石墨烯單晶制備被譽為石墨烯材料‘皇冠上的明珠’。”中科院上海微系統所研究員吳天如說，“我們花10年工夫，終于掌握了石墨烯單晶晶圓可控制備技術，實現了4—8英寸單晶的小批量生產。”
在國家科技(ji)重(zhong)大(da)專項、上海市(shi)科委(wei)項目支持下，謝曉明(ming)團隊解決了用籽(zi)晶制備單晶的技(ji)術(shu)難(nan)題，讓一個幾百微米大(da)小的石墨(mo)烯籽(zi)晶在二維平面上生長。經(jing)過約2.5小時，籽晶能生長成1.5英寸大小的石墨烯單晶，生長速度和單晶尺寸都創造了世界紀錄。經過后期設計優化，這個團隊已能制備8英寸石墨烯單晶晶圓
中科院(yuan)上(shang)海微系統(tong)所還在國際上(shang)首(shou)次實現了半導體(ti)鍺基石墨(mo)烯CVD（化學氣相沉積）制備，研制出4英寸鍺基石墨烯晶圓。這種材料與當前主流的集成電路制造工藝線有良好的兼容性。微系統所研制出的另一種二維材料名為六方氮化硼，它俗稱“白石墨烯”，與石墨烯結構類似，卻是絕緣體。這對“黑白搭檔”相互配合，既能提升材料綜合性能，又有利于開發出新的器件功能。
迄(qi)今為止，中科(ke)院上(shang)海微系統所(suo)在石墨烯材(cai)料制備與器件應(ying)用領(ling)域(yu)已申請100余項專利，授權70余項，其中國際專利9項。
功能型平臺(tai)加速產業化進程(cheng)
如何把(ba)這些(xie)國際一流的科研(yan)成果(guo)轉化為(wei)現實生產力(li)？去年9月，中科院上海微系統所與上海市石墨烯功能型平臺簽約合作，由后者的創新實驗室承擔中試工作，擴大石墨烯晶圓等產品的生產規模。
作為(wei)上海市政府布(bu)局(ju)建(jian)設的研發與(yu)轉化(hua)功能型(xing)平臺之一(yi)，石墨(mo)烯功能型(xing)平臺屬于新型(xing)研發機構(gou)，以石墨(mo)烯應用(yong)需求為(wei)牽引(yin)，擁有技術創新、中(zhong)試及產業化(hua)的核心(xin)服務(wu)能力；以“基地+基金+人才”模式集聚并配置技術、人才、資本市場等創新資源，培育石墨烯產業集群。
“我(wo)們平(ping)(ping)(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)上(shang)集(ji)聚(ju)了來自高校、科研(yan)院所的(de)(de)一(yi)(yi)批(pi)高水平(ping)(ping)(ping)(ping)科研(yan)團(tuan)隊(dui)，他(ta)們有一(yi)(yi)個共同目(mu)標(biao)，就是(shi)讓實驗室成(cheng)果通過中試放大和產(chan)業(ye)對(dui)接，轉化為成(cheng)熟的(de)(de)產(chan)品。”上(shang)海市石(shi)墨烯(xi)功(gong)(gong)能(neng)型(xing)平(ping)(ping)(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)董(dong)事(shi)長梁勇說。謝曉明團(tuan)隊(dui)就是(shi)其中一(yi)(yi)個團(tuan)隊(dui)，他(ta)們最看重的(de)(de)功(gong)(gong)能(neng)型(xing)平(ping)(ping)(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)優勢(shi)有兩點：一(yi)(yi)是(shi)平(ping)(ping)(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)有一(yi)(yi)批(pi)工(gong)程(cheng)技術(shu)人員(yuan)，可以參與中試研(yan)發，科研(yan)院所和高校往往缺少這(zhe)類研(yan)發人員(yuan)；二是(shi)平(ping)(ping)(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)有豐富的(de)(de)產(chan)業(ye)資源，能(neng)為科研(yan)團(tuan)隊(dui)對(dui)接一(yi)(yi)批(pi)企業(ye)，加快(kuai)科技成(cheng)果產(chan)業(ye)化進程(cheng)。
目前，謝(xie)曉(xiao)明團隊的創新(xin)實驗室(shi)正(zheng)在(zai)加緊建設(she)(she)。這個具有(you)中試放大功(gong)能的實驗室(shi)設(she)(she)在(zai)上海市(shi)石墨烯功(gong)能型平臺(tai)，與其他科研團隊的創新(xin)實驗室(shi)毗鄰。它們都面(mian)積(ji)頗(po)大，有(you)不少大型設(she)(she)備，看上去像一個個廠房。“我們計劃今年9月完成實驗室建設，中試生產8英寸石墨烯單晶晶圓等多種產品。”吳天如說，“我們還想通過平臺了解產業下游需求，早日實現產品的規模化應用。”
在梁勇董事長看來(lai)，功能型平臺在高新技術研發與轉化過程中可扮演(yan)重要角色(se)。“功能型平臺采取公司化運營模式，科研項目入駐平臺后，科研團隊并不能得到人財物，但有望獲得未來產業化的收益，所以不是奔著產業化去的科學家根本不會來我們平臺。”作為一類新型研發機構，功能型平臺應秉承為科研團隊做好服務的理念，盡量保持中立地位，爭取通過功能疊加打通科技成果轉化“最后一公里”；在篩選入駐項目方面，應以技術成熟度為主要尺度，疊加技術先進性尺度。“希望通過這輪科技體制機制改革，既要讓上海功能型平臺保證公益性，管好用好政府資金；又要讓平臺通過市場化運營適當‘造血’，保證可持續發展。”
資(zi)料來源：上(shang)觀新聞，石墨烯資(zi)訊編輯(ji)整理，轉載請注(zhu)明(ming)出處
