石墨烯材料意義重大 中英為何合作?

2021-01-10 OFweek維科網

  因此,華為與英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究所即將籤署的石墨烯研究項目在上述背景下就頗具深意了。對中國而言,該項目既可以學習吸收國外優秀智力成果,縮小和西方的技術差距,又能避免過剩的美元在不斷貶值中造成財富縮水。對英國而言,該項目能吸引中國投資,是助推英國「北方經濟引擎」計劃的一部分,成為英國實現振興北方地區必然選擇,也將幫助英國經濟走出當下低迷狀態。

  石墨烯為什麼這麼重要?

  石墨烯是由碳原子組成的單層石墨 --最早的石墨烯就是用膠帶一層一層地把石墨變薄而獲得的,是只有一個碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的導熱性、電導性、透光性,而且具有高強度、超輕薄、超大比表面積等特性,廣泛應用於鋰離子電池電極材料、太陽能電池電極材料、薄膜電晶體製備、傳感器、半導體器件、複合材料製備、透明顯示觸控螢幕、透明電極等方面。

  相對於通過前端設計提升微結構來提高晶片性能,通過後端設計來提升主頻顯然更加簡單粗暴,研發周期也更短(微結構研發一般要3年),更適合商業推廣。

  矽基材料集成電路主頻越高,熱量也隨之提高,並最終撞上功耗牆。目前矽基晶片最高的頻率是在液氮環境下實現的8.4G,日常使用的桌面晶片主頻基本在3G到4G,筆記本電腦為了控制CPU功耗,主頻普遍控制在2G到3G之間。

  但如果使用石墨烯材料,那麼結果就可能不同了。因為相對於現在普遍使用的矽基材料,石墨烯在室溫下擁有10倍的高載流子遷移率,同時具有非常好的導熱性能,晶片的主頻理論上可以達到300G,並且有比矽基晶片更低的功耗--早在幾年前,IBM在實驗室中的石墨烯場效應電晶體主頻達155G。

  因此,在前端設計水平相當的情況下,使用石墨烯製造的晶片要比使用矽基材料的晶片性能強幾十倍,隨著技術發展,進一步挖掘潛力,性能可能會是傳統矽基晶片的上百倍!同時還擁有更低的功耗。

  石墨烯材料對手機意義重大

  對於華為這幾年的另一項拳頭產品--手機來說,石墨烯更能帶來翻天覆地的變化:

  手機中有大量的晶片,比如音頻晶片、視頻晶片、電源管理晶片、能夠獲得更好拍照效果的ISP晶片、WIFI晶片、CPU、GPU、基帶(某些廠商可能會將這些晶片集成為SOC)等等,如果這些晶片都使用石墨烯材料製造,那麼手機晶片的性能將會大幅提升,同時功耗將大幅下降。

  一直以來,智慧型手機的續航能力飽受詬病。如果將石墨烯用於電池的兩極,續航能力會是普通電池的十多倍,智慧型手機一天一充將成為歷史,充電寶也將被新技術所淘汰。如果用石墨烯製作電容裝置,它的充放電速度是鋰電池100倍--1000倍,幾分鐘就能完成智慧型手機充電。

石墨烯電池示意圖

  石墨烯具有輕、薄、幾乎完全透光、強度大、柔韌性好等特點,和現在的手機屏幕相比,不僅更薄、透光性更好,而且還具有更好的韌性,更不容易破損,甚至還能做成能夠捲起的柔性屏幕。因此,石墨烯屏幕比現在用的屏幕擁有更好的用戶體驗。

  石墨烯僅吸收2.3%的光,並使所有光譜的光均勻地通過,具有非常好的透光性。因此它還是優質的感光元件的製造材料,使用石墨烯製造的感光元件,不僅更薄,還更便宜--如果量產,成本僅為傳統感光元件的五分之一。據新加坡一個科研團隊展示的科研成果,石墨烯感光元件的性能比傳統傳感器強1000倍--在昏暗的光線環境中, 這類傳感器依然能夠捕捉到較為清晰的物體影像。

  可以想像如果華為手機採用了石墨烯技術,那麼,手機將發生一次革命,正如同智能機對功能機的革命。

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