近日，中国和美国科研人员联合研制出世界上第一个由石墨烯材料制成的功能性半导体。研究人员表示，这预示着一个电子新时代的到来，它为研制更小、更快、更高效的电子设备铺平了道路。相关论文刚刚发表在权威期刊《自然》杂志上。

这一突破被认为是开启石墨烯芯片制造领域“大门”的重要里程碑。

“新材料之王”石墨烯

碳元素支撑起了整个有机生态环境，不论是像人类一样的高等生物，或是蚁穴里的蝼蚁，都是由一个个碳原子形成的骨架连接起来的。除此之外，人类发展史中，我们赖以生存的木炭、石油、燃气、甚至是食物都是由碳元素构成的，因此碳材料对于人类的意义十分重大。

1789年，拉瓦锡将碳单质写入教科书的元素表中，同时，人们发现了碳单质的大量同素异形体，例如金刚石、石墨、蓝丝黛尔石、蜡石、汞黝矿结构、碳气凝胶、碳纳米泡沫等。直到上个世纪，汉斯·布什发明了人类历史上第一个电子透镜，在之后的几十年内，随着表征技术和纳米技术的高速发展，人类陆续发现了足球烯、碳纳米管和碳量子点等具有特殊微观结构的碳材料。

石墨烯即碳原子按照蜂巢状结构排列组成的一种二维材料，最早科学家认为它只是一种理论上的材料而无法在自由状态下存在，直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用透明胶带剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，从而证实了石墨烯可以单独存在，这一发现让他们获得了2010年诺贝尔物理学奖。碳材料家族也因为石墨烯的发现变得更加完整，这一家族目前包括零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯和三维的石墨和金刚石。石墨烯不仅是单层碳原子材料，还可以是组成其他维度碳材料的基本单元：将石墨烯包裹成球形就得到了零维富勒烯，将石墨烯卷起来可以获得一维的碳纳米管，将石墨烯堆垛起来可以获得三维石墨结构。

其实，石墨烯本来就存在于自然界。比如1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯，铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹可能就是几层石墨烯。但因为早在70多年前，理论研究就表明，完美的二维结构晶体无法在非绝对零度的环境中稳定存在，它难以剥离出单层结构，导致2004年才发现石墨烯。

石墨烯是一种独特的单原子层六边形蜂巢结构的材料，这注定了它的不平凡。

作为目前已知的最硬、最薄的材料，石墨烯还具有非常高的透光率，其非常致密以至于除质子之外没有其他物质可以穿透，且具有极高的电子迁移率、热导系数以及能承载极高的电流密度。可以说，它集诸多优异性能于一身，因此，石墨烯号被称为“新材料之王”，更被预期成为继石器、青铜、钢铁、硅之后人类即将开创新的文明纪元时代的标志性材料。

在电子信息、能源、功能材料、生物医药、航空航天、节能环保等领域石墨烯有着重要的潜在应用前景。但大批量、低成本生产高质量的石墨烯材料，是其实现产业化应用的前提。目前，石墨烯的制备主要包括“自上而下”法和“自下而上”法两种工艺。所谓的“自上而下”法，指的是以石墨为起点，从石墨中层层剥离，得到二维的微观石墨烯，是一个“由多到一”的过程；而“自下而上”法是指从含碳化合物开始，利用高能量破坏掉化合物的化学键，使其中一个个的碳原子从中脱离出来后规则地聚集，生长成为石墨烯，是一个“由零到一”的过程。前者主要包括液相剥离法、氧化还原法、机械剥离法，后者则主要包括化学气相沉积法、碳化硅晶体外延生长法。

中国科学院院士、北京大学教授刘忠范介绍，石墨烯材料有3种不同的形态：粉体、薄膜、纤维。材料形态不同，用途也不一样。2010年至今，石墨烯材料的应用都是以粉体材料为主，用作电热产品、导电添加剂、防腐涂料等。未来10年值得期待的是一维石墨烯纤维材料，它有望用作散热膜、功能纤维、结构增强纤维，甚至超级导线等。从材料的形态上讲，从粉体材料到纤维材料，再到薄膜和晶圆材料，或许可以被视为石墨烯材料可预见的发展历程。

中国科学院、美国科学院、英国皇家学会院士，2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆判断，目前石墨烯在工业中充当材料添加剂的角色，对产品性能有相当比例提升，但还未取得革命性的应用效果。他表示石墨烯仍是一种年轻的材料，未来在工业和生活中还有进一步发挥作用的空间。

首个石墨烯制成的功能半导体问世

半导体是电子产品的基本部件。目前，几乎所有的现代电子产品都依赖于用硅材料制成的硅基半导体，不过，随着设备向微型化方向发展，对更快处理速度的需求不断增长，硅基半导体正在接近其物理功能的极限。

研究发现，如果制造得当，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，表现出半导体特性。测量表明，石墨烯半导体的室温电子迁移率是硅的十倍。这意味着更快的切换速度，可能使得GPU、CPU等设备更高效地完成运算任务。此外，与传统材料相比，石墨烯半导体强大的化学、机械和热性能可以增强电子产品的耐用性和可靠性。

尽管石墨烯半导体具有诸多优势，科学家却一直未能研制出一种可以随意控制导电或绝缘的石墨烯半导体，问题就出在缺乏所谓带隙。半导体除了有高能带和低能带外，还有一个点——带隙。在这个点上，被激发的电子可以从一个能量带跃迁到另一个能量带。这可以有效打开和关闭电流，从而控制导电开关，同时创造了数字计算机中使用0和1的二进制系统。虽然之前的研究表明，石墨烯可以在小范围内发挥半导体的作用，但它从未被放大到足以制造计算机芯片的尺寸。同时，石墨烯薄片上的褶皱、圆丘和孔洞会对电流产生不同寻常的影响，从而有可能通过设计合适的缺陷制造逻辑芯片。

近日，天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的马雷教授及其科研团队使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯取得突破，生产出外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层材料。通过在石墨烯中引入带隙，展示了一种可以控制电流开关的晶体管，这种开关可以阻止或允许电流通过。由于该技术与制造硅芯片的技术没有什么不同，因此这种工艺或更有利于规模化生产。研究人员表示，石墨烯半导体的电学性能远远好于硅芯片。

佐治亚理工学院的物理学教授Walter de Heer在一份新闻稿中表示，这就像在砾石路上开车和在高速公路上开车一样。硅芯片的制造成本很低，而且有全球庞大的制造基础设施作为后盾，但目前硅芯片已逼近极限。摩尔定律指出，电路中晶体管的数量大约每两年翻一番，但近年来微型化的速度已经放缓，因为工程师已使电路密度达到了极限，超过这个密度，电子就无法可靠地控制。虽然石墨烯电路可以重振希望，但障碍依然存在。研究团队表示，该研究对未来石墨烯电子学真正走向实用化具有重大意义。

对石墨烯半导体这一研究突破性进展，乌克兰国家工程院外籍院士、巴西工程院外籍院士、青岛德通纳米技术有限公司研究院执行院长萧小月表示，基于石墨烯的特性，石墨烯半导体主要有以下五方面优势。一是石墨烯是优异的导体，导电性能优于银，因此在半导体领域可以取代铜线。其中，无需光刻机只通过分子热处理就可以制备5至1纳米的线路。同时运行速度可以高达到1000GHz（=1THz）。将其与碳纳米管并用，可以制备单电子晶体管和柔性晶体管。二是载流子迁移率高，是硅的100百倍。三是可以制备CMOS构造的半导体元件。四是柔性好，在柔性显示屏技术上有重要的应用。五是导热率高，所以散热性能远优于硅基材料。然而，萧小月强调，目前，石墨烯在半导体技术中的应用仍处在实验室阶段，距离石墨烯半导体完全落地还需要一定的时间。

英国萨里大学David Carey对这一最新进展是否意味着硅芯片会很快转向石墨烯芯片持怀疑态度，一方面是因为新的研究需要在晶体管尺寸、质量和制造技术方面进行大量改进，另一方面是因为硅芯片具有领先优势。

我国加强对石墨烯的研发

石墨烯不仅与纺织鞋服、功能涂料、改性橡胶等传统产业发展关系密切，同时与电子信息、航空航天、新能源、生物医药等战略性新兴产业的发展也紧密相关，形成“共生共融、协同发展”的产业生态。

据资料显示，我国是世界第二大石墨资源国，已探明的石墨资源储量为2.6亿吨，石墨基础储量约占全世界总储量的33%，具有良好的产业发展基础。

近年来，一系列石墨烯材料产业的相关扶持政策陆续出炉。

自2012年以来，国务院、国家发展改革委、工业和信息化部等多部门都陆续印发了支持、规范石墨烯行业的发展政策，内容涉及石墨烯行业发展路线、石墨烯产业园的建设、石墨烯生产规模化等内容。2015年，工业和信息化部、国家发展改革委、科技部等三部委联合发布的《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》，成为我国石墨烯领域首个国家层面的纲领性文件。2023年8月，工业和信息化部、国务院国资委印发《前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）》，石墨烯名列其中。

“十四五”期间，我国石墨烯产业进一步发挥改造提升传统产业、培育新兴产业的功能，与相关产业深度融合发展，加速推动我国石墨烯产业化进程，催生了一批高速增长的石墨烯企业。

石墨烯属于技术、人才和资金高度密集型的前沿新材料产业，只有跟下游应用深度融合，完全打开应用市场才能快速发展。现阶段，各国的支持政策大多集中在石墨烯中游产业链上，欧美等发达国家前期支持政策主要集中于石墨烯基础研究和高端应用产品开发。而未来，随着石墨烯产业化进程的加快及其展现市场价值的飙升，各国政府将进一步加大对石墨烯下游应用的政策支持，推动石墨烯产业化发展。可以预见，随着石墨烯制备技术的逐步成熟和应用研发的逐步扩展，在各国政府和企业的大力推动下，研发成果转化与产业化将发展迅速。

相比发达国家，我国石墨烯行业起步较晚，至今主要经历了材料发现阶段（2004-2012年）、产业形成阶段（2013-2016年）、研究突破阶段（2017年以来）三个阶段。特别是自2017年以来，我国在石墨烯材料的研究领域不断取得突破，如在实验室内制备出了最小尺寸的纳米通道以及生产出了首款石墨烯基锂离子电池充电宝等。

前瞻产业研究院《中国石墨烯行业深度调研与投资战略规划分析报告》显示，在国家层面政策的大力支持和引导下，地方层面结合自身情况和优势，近年来也加快石墨烯产业的发展，出台了诸多推动石墨烯产业集群发展的政策。

目前，江苏作为石墨烯发展先行省份，已经形成了具有一定规模的石墨烯产业集群。随着石墨烯应用范围的不断扩大，山东、江苏、福建、四川等行业发达地区都有了较为明确的发展目标，其中福建、宁波和四川的规划石墨烯产业规模到达千亿级别。其他省份，如广西、河北都将打造石墨烯产业集群作为未来重点发展行业进行规划。随着地方政府的积极介入，未来石墨烯未来产业集群化发展有望加速。

当前我国的石墨烯产业仍面临一些深层次问题，基础研究能力薄弱，缺乏龙头企业带动，上下游企业脱节，产业链不成熟，资本市场过度透支石墨烯概念，行业标准缺失等，这些问题都严重制约了我国石墨烯产业的健康可持续发展。

“下一个时代也许会是二维材料的时代”。材料科学从实验室到真正应用于生活往往需要花费很长时间，应夯实理论研究等基础研究的底蕴，潜心开展制备技术等产业关键核心技术的突破。未来，我们相信石墨烯产业也会像其他纳米碳材料一样发展成为革命性的新兴产业。