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(gè)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，因而被譽(yù)為“超級材料”。
不久前，工信部、發(fā)改委和科技部等三部委日前發(fā)布《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新發(fā)展的若干意見(jiàn)》，欲在2020年形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系，實(shí)現石墨烯材料標準化、系列化和低成本化，在多領(lǐng)域實(shí)現規?；瘧?。為何三部委對石墨烯產(chǎn)業(yè)如此重視呢？
 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(gè)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，因而被譽(yù)為“超級材料”。
石墨烯的用途非常廣泛，可以被應用于鋰離子電池電極材料、薄膜晶體管、傳感器、半導體器件、復合材料制備、透明顯示觸摸屏等方面。
石墨烯是替代硅的理想材料
相對于通過(guò)前端設計提升微結構來(lái)提高芯片性能，通過(guò)后端設計來(lái)提升主頻顯然更加簡(jiǎn)單粗暴，而且隨著(zhù)Intel在IPC上已經(jīng)遭遇緊瓶，相信全球其他IC設計公司在各自的微結構達到Haswell水平后，IPC很有可能也會(huì )相繼撞墻。因此，提升主頻已經(jīng)是成為了提升CPU性能的不二之選。
硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實(shí)現的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在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，那么結果就可能不同了。因為相對于現在普遍使用的硅基材料，石墨烯的載流子遷移率在室溫下可達硅的10倍以上，在實(shí)驗室環(huán)境下最高可達100倍，飽和速度是硅的５倍，電子運動(dòng)速度達到了光速的1/300。同時(shí)具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實(shí)驗室中的石墨烯場(chǎng)效應晶體管主頻達155G。
IBM的石墨烯圓晶/芯片
因此，采用石墨烯材料的芯片具有極高的工作頻率和極小的尺寸，而且石墨烯芯片制造可與硅工藝兼容，是硅的理想替代材料——在前端設計水平相當的情況下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強幾十倍，隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會(huì )是傳統硅基芯片的上百倍！同時(shí)還擁有更低的功耗。
石墨烯材料應用前景
因石墨烯具有的較高的載流子遷移率、極高的載流子速度、優(yōu)異的等比縮小和有限的散射等特性，是電子器件和集成電路的首選材料。在射頻領(lǐng)域，已研制出性能極高的零帶隙大面積石墨烯MOSFET、雙層石墨烯FET等產(chǎn)品；在石墨烯數字邏輯方面，已出現了雙層石墨烯晶體管、納米帶晶體管和隧穿FET及相關(guān)電路。
在光纖通信方面，因石墨烯中的電子在遷移時(shí)，不會(huì )因為晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射，即使周?chē)荚影l(fā)生擠撞，石墨烯內部受到的干擾也非常小。若將傳統的信號傳輸銅纜替換為石墨烯，不僅傳輸線(xiàn)纜的重量降低，強度增大，信道降噪抗干擾能力也會(huì )得到極大地提升。雖然光纖傳輸速度快，效率也高，但是數據傳輸過(guò)程中，光電轉換比較麻煩。如果用石墨烯替代光纖應用于有線(xiàn)傳輸，不僅能保障傳輸速度和質(zhì)量，還能免除廣電轉換過(guò)程，進(jìn)而省去了一大堆光電轉換設備及研究、制造經(jīng)費。
在傳感器制造方面，因石墨烯僅吸收2.3%的光，并使所有光譜的光均勻地通過(guò)，具有非常好的透光性，可以用于傳感器的制作。據新加坡一個(gè)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(xiàn)環(huán)境中，這類(lèi)傳感器依然能夠捕捉到較為清晰的物體影像。
石墨烯傳感器 在屏幕制造方面，因具有輕、薄、幾乎完全透光、強度大、柔韌性好等特點(diǎn)，石墨烯是最有潛力替代氧化銦錫的材料。采用石墨烯技術(shù)的屏幕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，甚至還能做成能夠卷起的柔性屏幕。石墨烯屏幕能比現在用的屏幕擁有更好的用戶(hù)體驗。
石墨烯屏幕
在鋰電池上采用石墨烯材料電極，能有效提升電池的提升電池倍率充放電性能、循環(huán)壽命和能量密度。
石墨烯材料對5G通信的意義
相對于上述用途，在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域石墨烯芯片的大規模應用很有可能會(huì )先行一步。
目前主流的4G系統基站雖然已經(jīng)采用了負責基帶處理的BBU+負責射頻的RRU通過(guò)光纖拉遠的架構，但由于機房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設置以節省機房的需求越來(lái)越強烈，同時(shí)也要求對基帶資源共享、集中調度等功能的實(shí)現。
由于基帶信號對帶寬和各項處理資源的消耗很大，現有芯片和背板處理速度根本無(wú)法實(shí)現更大規模的基帶資源集中調度和共享，同時(shí)在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰。
若采用石墨烯材料，不但芯片處理能力、數據交換速率能得到大幅提升，石墨烯良好的導熱、導電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低，進(jìn)而實(shí)現處理能力達到上萬(wàn)載頻的集中式基帶資源池。未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)無(wú)疑以滿(mǎn)足高速數據業(yè)務(wù)為主，而傳統的宏蜂窩技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足應用，必然走向宏微結合的異構網(wǎng)絡(luò )架構，引入大量smellcell網(wǎng)元以滿(mǎn)足室內以及熱點(diǎn)場(chǎng)景的覆蓋和容量需求。
但隨著(zhù)這些網(wǎng)元的引入，改變了原有宏站的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，產(chǎn)生大量新的干擾場(chǎng)景，必須通過(guò)引入各種站間、宏微協(xié)同等技術(shù)予以消除。
比如采用協(xié)同多點(diǎn)傳送和接收技術(shù)，但會(huì )帶來(lái)各種協(xié)同算法加載后的大量復雜計算對資源的消耗，而基于石墨烯材料的基帶芯片大量應用，其強悍的運算能力將使這些原本需要海量運算能力的技術(shù)和算法具有可操作性。
 5G通信的特性就是“萬(wàn)物互聯(lián)”，具有熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接、低時(shí)延高可靠等特點(diǎn)——在人口密集區為用戶(hù)提供1Gbps用戶(hù)體驗速率和10Gbps峰值速率；具備超千億網(wǎng)絡(luò )連接的支持能力，滿(mǎn)足100萬(wàn)/km2連接數密度指標要求；在車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應用需求，為用戶(hù)提供毫秒級的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。
因此，大規模天線(xiàn)陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址技術(shù)和全頻譜接入等技術(shù)就成為5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展方向，而這些技術(shù)很有可能需要倚重石墨烯材料的廣泛應用。相信這也是任正非在數次講話(huà)中無(wú)比重視石墨烯技術(shù)，華為不遠千里和曼切斯特大學(xué)合作開(kāi)發(fā)石墨烯技術(shù)的原因。
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（bjyyxtech）
|
