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- 發(fā)布時間2020-07-03 12:17
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2010年，曼徹斯特大學兩位科學家因為對石墨烯的開創(chuàng)性研究獲得諾貝爾物理學獎。就是從那年起，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所開始研制這種材料。可謂“十年磨一劍”，如今，謝曉明研究員團隊在高品質(zhì)石墨烯電子材料制備方面取得多項突破，近日獲得上海市自然科學獎一等獎。
為了讓這類材料盡快產(chǎn)業(yè)化，中科院上海微系統(tǒng)所與上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺合作，通過建設(shè)創(chuàng)新實驗室，實現(xiàn)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(zhì)薄膜的中試生產(chǎn)。謝曉明團隊還與國內(nèi)、國際多家單位合作，實現(xiàn)了石墨烯在微電子、能源、生物醫(yī)學等領(lǐng)域的應(yīng)用。
石墨烯制造芯片有四大優(yōu)勢
集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，芯片的主要材料一直是硅片。遵循摩爾定律（在價格不變情況下，集成電路上可容納的元器件數(shù)目，每隔18—24個月增加一倍，性能也提升一倍），硅芯片的產(chǎn)業(yè)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。
如何突破摩爾定律遇到的瓶頸？用新型碳材料取代硅基材料，是業(yè)界普遍看好的解決方案。石墨烯就是一種新型碳材料，它只有一個碳原子層厚度，強度極高，比表面積巨大，導熱導電性能優(yōu)越。據(jù)謝曉明介紹，與硅基材料相比，將石墨烯材料用于制造芯片有四大優(yōu)勢：一是單層石墨烯的厚度僅為0.27納米，在半導體工藝制程方面，遵循摩爾定律的發(fā)展?jié)摿Ρ裙杌牧洗蟮枚啵欢鞘┑木w結(jié)構(gòu)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(chǎn)品能彎曲、更便攜。
因為這些優(yōu)越的性能，歐盟、美國、韓國等多個國家和地區(qū)都在石墨烯微電子技術(shù)領(lǐng)域進行了布局。如歐盟的“石墨烯旗艦計劃”總投資10億歐元，推動石墨烯電子學應(yīng)用等技術(shù)研發(fā)。
單晶晶圓生長創(chuàng)造世界紀錄
然而，以石墨烯為代表的二維材料在替代傳統(tǒng)半導體材料道路上，也面臨著許多挑戰(zhàn)。就像制造硅芯片的原材料是一片片硅單晶晶圓，二維微電子材料的器件應(yīng)用也需要制備出石墨烯晶圓。“高質(zhì)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(tǒng)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(shù)，實現(xiàn)了4—8英寸單晶的小批量生產(chǎn)。”
在國家科技重大專項、上海市科委項目支持下，謝曉明團隊解決了用籽晶制備單晶的技術(shù)難題，讓一個幾百微米大小的石墨烯籽晶在二維平面上生長。經(jīng)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(chuàng)造了世界紀錄。經(jīng)過后期設(shè)計優(yōu)化，這個團隊已能制備8英寸石墨烯單晶晶圓
中科院上海微系統(tǒng)所還在國際上首次實現(xiàn)了半導體鍺基石墨烯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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(fā)出新的器件功能。
迄今為止，中科院上海微系統(tǒng)所在石墨烯材料制備與器件應(yīng)用領(lǐng)域已申請100余項專利，授權(quán)70余項，其中國際專利9項。
功能型平臺加速產(chǎn)業(yè)化進程
如何把這些國際一流的科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力？去年9月，中科院上海微系統(tǒng)所與上海市石墨烯功能型平臺簽約合作，由后者的創(chuàng)新實驗室承擔中試工作，擴大石墨烯晶圓等產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模。
作為上海市政府布局建設(shè)的研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺之一，石墨烯功能型平臺屬于新型研發(fā)機構(gòu)，以石墨烯應(yīng)用需求為牽引，擁有技術(shù)創(chuàng)新、中試及產(chǎn)業(yè)化的核心服務(wù)能力；以“基地+基金+人才”模式集聚并配置技術(shù)、人才、資本市場等創(chuàng)新資源，培育石墨烯產(chǎn)業(yè)集群。
“我們平臺上集聚了來自高校、科研院所的一批高水平科研團隊，他們有一個共同目標，就是讓實驗室成果通過中試放大和產(chǎn)業(yè)對接，轉(zhuǎn)化為成熟的產(chǎn)品。”上海市石墨烯功能型平臺董事長梁勇說。謝曉明團隊就是其中一個團隊，他們最看重的功能型平臺優(yōu)勢有兩點：一是平臺有一批工程技術(shù)人員，可以參與中試研發(fā)，科研院所和高校往往缺少這類研發(fā)人員；二是平臺有豐富的產(chǎn)業(yè)資源，能為科研團隊對接一批企業(yè)，加快科技成果產(chǎn)業(yè)化進程。
目前，謝曉明團隊的創(chuàng)新實驗室正在加緊建設(shè)。這個具有中試放大功能的實驗室設(shè)在上海市石墨烯功能型平臺，與其他科研團隊的創(chuàng)新實驗室毗鄰。它們都面積頗大，有不少大型設(shè)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(shè)，中試生產(chǎn)8英寸石墨烯單晶晶圓等多種產(chǎn)品。”吳天如說，“我們還想通過平臺了解產(chǎn)業(yè)下游需求，早日實現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模化應(yīng)用。”
在梁勇董事長看來，功能型平臺在高新技術(shù)研發(fā)與轉(zhuǎn)化過程中可扮演重要角色。“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(chǎn)業(yè)化的收益，所以不是奔著產(chǎn)業(yè)化去的科學家根本不會來我們平臺。”作為一類新型研發(fā)機構(gòu)，功能型平臺應(yīng)秉承為科研團隊做好服務(wù)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(zhuǎn)化“最后一公里”；在篩選入駐項目方面，應(yīng)以技術(shù)成熟度為主要尺度，疊加技術(shù)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(xù)發(fā)展。”
資料來源：上觀新聞，石墨烯資訊編輯整理，轉(zhuǎn)載請注明出處
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