​石墨烯的特点以及应用领域

发布时间:2020/11/20 浏览次数:9

石墨烯的动态:

,石墨烯是由六边形结构的碳原子组成的二维结构,组成元素与铅笔芯石墨一样。都是同样的元素,导致不同性能表现的原因在于,原子排列结构不同。石墨烯的特殊结构导致它具有高强度、高硬度、高导热导电性能,以及几乎透明的光学特性。

第二,单层石墨烯当前还停留在实验室研发阶段,没有大规模的商业应用案例。媒体上报道的石墨烯电池,是指多层石墨烯,距离实现产业化应用至少5年以上。多层石墨烯通常与其他材料复合应用后,呈现多样化。

第三,尽管石墨烯行业处于产业初期,但依然需要密切跟踪它的研究成果,以及对于其他行业的颠覆性的影响。另一方面,也需要考虑一项技术产业化应用的时点,毕竟技术只有真正与行业真实需求相结合,它的价值才能化发挥。

石墨烯的特点以及应用领域:

一,芯片领域

石墨烯跟芯片有什么关系呢?

1.石墨烯具有的转角结构和超导特性。

2018年,科学家发现,当两层石墨烯之间有一个特别小的夹角的时候(大概1.1°),两层石墨烯的薄膜之间会交替出现超导和绝缘的区域,就像是汽油漂在水面上交替出现的彩色条纹一样。

这个现象让科学家们非常兴奋。它开启了一个被称为转角电子学的研究领域,1.1°这个角度,就被称为“魔角”。

而在这一次的研究中,人们发现了石墨烯一个更重磅的特性,就是通过一个小的电压变化,我们就可以控制这个超导现象的打开或者关闭。正是这个可控的特性,让科学家异常兴奋,甚至看到了未来芯片的一种可能。

像我们所熟悉的各种芯片,包括电脑的CPU、手机的AI芯片,还有大量的集成电路器件等等,它层的结构单元,其实就是逻辑开关。

所以,在遥远的地平线上,科学家们仿佛看到了一种全新的、构成芯片底层结构的可能,那就是用两层石墨烯的夹角结构,也就是“魔角”,构成逻辑开关的阵列。

而且这个阵列还有一个特别诱人的特性——那就是超导。

要知道现在芯片行业头疼的一个难题,就是晶体管发热的问题。而石墨烯夹角带来的超导特性,意味着这样的材料不会发热,因此格外吸引人。

不过平心而论,因为目前针对石墨烯器件的研究,普遍都在原理阶段。咱们说的这种新型芯片,距离实现看起来还非常非常远。

那为什么希望这么渺茫,科学家们还费尽心思地钻研呢?

这是因为,这种新型材料很有可能解决信息技术领域的“焦虑”——摩尔定律的极限。

我们知道,所谓摩尔定律是指单位面积的集成电路数量,平均每18个月就要翻一番。在过去半个多世纪的时间里,摩尔定律一直在延续。单个晶体管的大小,从原来的几百微米,缩小到了今天的7纳米。

所以,我们今天的一块手机芯片上,可以有100亿个晶体管。这些就是支持一个手机强大算力的基础设施。

但发展到这个地步,用于制作晶体管的硅材料,已经遭遇了“物理极限”——如果晶体管再小下去,很可能就会出现“量子效应”——也就是说,芯片会变得不稳定、不可靠。

可是人们对于算力的渴望又是无穷无尽的,就像上面说到的机器视觉超能力,也需要越来越高的算力才能实现。

所以在科研领域,有不少科学家都在尝试,不用传统的硅材料作芯片,尝试其他的材料。

在这些研究思路之中,有一条就是用碳基芯片代替硅基芯片,石墨烯就是其中之一。

这条关于石墨烯的进展之所以值得关注,简单来说,就是它通过一种可控的方式,实现了石墨烯在超导和绝缘之间的切换。这个切换,让石墨烯原料成为了一种开关,它能作为一种全新的芯片原理,延续摩尔定律的发展。

当然,这些都是从芯片材料的角度对于这项研究的解读。作为早期的学术研究,石墨烯转角结构很可能还会从超导原理、二维材料的设计等等其他方面,发挥意想不到的作用。

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