21世紀的神奇材料石墨烯，曾是製作碳基晶片原料，為何沒有普及

從人類發明電以來，對超導體的研究一直沒間斷過，從我們的生活應用的電纜線，到微觀的晶片電晶體材料上，優良的導體不光能減少能量的損耗，還能提升傳輸的性能。尤其是最近的晶片領域，在矽基晶片的納米工藝或即將達到瓶頸，全球科學人員都在研究下一代的電晶體製作材料，以便晶片能獲得更好的性能，在下一代晶片領域的競爭中取得優先權。

石墨烯的超導性被發現

而物理材料不同，導電性也不同，目前想要實現物體超導性能，一般只有在低溫或者高溫的情況下才會出現，常溫狀態下超導性能的材料並不多。在2016年日本東京大學的研究人員發現將兩片石墨烯構建成一個類似夾心餅乾似的結構，在石墨烯片中插入了一些鈣原子之後驚奇地發現，這個結構實現了超導特性，但是遺憾的是該超導電現象是發生在-269攝氏度（4K）左右。

在這裡不得不說一位在美國麻省理工學院攻讀博士的中國學生曹原，他在一次對堆疊的雙層石墨烯進行考察研究的時候，想看看把其中一層石墨烯進行極小角度偏移的時候會發生什麼現象，然後通過微扭不同的角度，發現在一些特定的角度下，原本導電的石墨烯居然變成了絕緣體。這種有趣的現象，讓他嘗試著繼續扭動著雙層石墨烯讓他變成超導體，沒想到的是居然真的實現了。截止今年5月份，曹原與其博導已經連續發表了兩篇自然文章介紹了魔角石墨烯研究的新突破，讓人不可置信的是，這時候的曹原只有24歲。

石墨烯是什麼

石墨是什麼，其實石墨在我們的生活中非常常見，就連我們的經常使用的鉛筆，裡面的筆芯就是石墨，但是它和石墨烯有什麼關係呢，我們都知道，物質是由不同的元素構成，雖然原子相同，但是表現的特性卻並不同，比如我們生活中需要的氧氣（O2）和臭氧（O3），雖然都是由氧原子構成的，但是氧氣可以讓我們生存，並且無色無味，而臭氧卻是完全不同的特性，我們把這種稱之為「同素異形體」。

而石墨也是一種「同素異形體」，因為碳原子結構的不同，在晶體中同層碳原子間以sp2雜化形成共價鍵，每個碳原子與另外三個碳原子相連，六個碳原子在同一平面上形成正六邊形的環，伸展形成片層結構。那我們常說的石墨烯是什麼，和石墨有什麼區別呢？其實石墨烯在英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯在生活中的應用

石墨烯被稱之為世界上最輕、最強、最薄的材料，雖然厚度只有0.2nm左右，但是它的強度比最好的鋼材都要強上200倍，導電性是矽的100倍(就電子遷移率而言)；而且其韌性也非常強，拉伸的幅度能夠達到自身的尺寸的20%左右，使用其做的防彈衣或者裝甲、超級吊繩常用的材料，不光輕便，而且強度也非常高。石墨烯是從石墨材料中剝離出來的，由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，石墨烯就是相當於切薄的石墨材料，1mm厚度的石墨大約就包含有300萬層的石墨烯。

石墨烯除了韌性好強度高，其實還具有非常好的導熱性和導電性，被稱之為21世紀最神奇的材料，在太陽能技術、快速充電技術、新材料電池等領域的應用中，石墨烯也發揮著其重大的作用，美國麻省理工學院已成功研製出表面附有石墨烯納米塗層的柔性光伏電池板，石墨烯太陽能技術的光電轉換效率高達60%，是現有多晶矽太陽能技術的2倍。

美國加州大學洛杉磯分校的研究人員也開發出一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍。而最讓人吸引眼球的亮點是石墨烯電池，曾經西班牙一家以工業規模生產石墨烯的Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學合作開發出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公裡，而其充電時間不到8分鐘，石墨烯確實是一種神奇的材料。

首例石墨烯晶片誕生

石墨烯在慢慢的發展中，也將成了矽材料的替代品，由於矽材料的本身特性限制，使得目前矽基晶片的繼續提升性能越來越難，目前臺積電也在進行著2nm工藝矽基晶片製作工藝的研究，而2nm也被網友們稱之為矽基材料的極限，科學家們也都在尋求一種新的晶片材料，而正在風口上的石墨烯材料必然備受關注。美國《大眾科學》網站近日報導，2012年，美國IBM公司就曾成功研製出首款由石墨烯圓片製成的集成電路，據了解，該晶片是建立在碳化矽上，通過石墨烯場效應管組成的，其工作頻率可以達到100G赫茲，雖然這款晶片的工藝只有550納米，但也是人類成功製造出的第一塊石墨烯晶片。

未來晶片的布局

2017年2月，央視新聞頻道在播出了《神奇的石墨烯》專題節目中提到，石墨烯有望替代矽成為下一代晶片的主要材料。利用石墨烯製造新一代電子器件，有望使我國在晶片製造業彎道超車，達到國際領先水平。不負眾望，北京大學張志勇、彭練矛課題組在美國著名《科學》專刊中發表論文稱：通過使用碳納米管在4英寸基底中獲得了間隔為5nm的垂直有序排列的碳納米管陣列。成功搭建出新一代碳基集成電路，而碳納米管的製作就是通過石墨烯捲曲而成。這也是一種以碳基為主材料的晶片，被網友們稱之為碳基晶片。

總結

雖然石墨烯有著美好的應用場景，但是從實驗室走上商用化，還有很長的路要走。通過對石墨烯的的研究發現，這種材料確實可以稱的上是21世紀最神奇的材料，使用石墨烯可以製作出柔性彎曲的屏幕，還可以讓電動汽車的充電時間縮短到幾個小時甚至幾十分鐘。而在集成電路的應用中，因為其超強的導電性，也被意為下一代原材料的首選。但由於常溫下製作高純度的石墨烯成本太高，技術並不成熟，而只是更多的被當做一種添加劑使用，這也限制了石墨烯向更高領域的發展，當然在石墨烯的研發應用中，各國也都在抓緊研發，相信在未來不久，石墨烯的製作工藝能迎來新的突破，石墨烯材料能更一步造福人類。

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