石墨烯在高频领域的研究现状及发展趋势

2015年10月，习近平主席参观了英国曼彻斯特大学的国家石墨烯研究所院，石墨烯引起了社会各界更多的关注。其实在石墨烯产业层面，这已经不是习近平主席第一次关注石墨烯，早在2014年底，习近平在南京考察江苏省产业技术研究院时，曾拿起石墨烯气体阻隔膜，了解产品性能、市场应用、产业前景等。

自2004年石墨烯在实验室被正式制备以来，石墨烯已进入快速发展期，其相关产品的应用普及将伴随着石墨烯生产能力的提高和材料技术换代升级而逐步实现。如今，对于石墨烯的研究正在全世界展开，未来，随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐也将加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域很可能会是移动设备、航空航天和新能源电池领域。

目前，华为已宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯的应用，研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用于消费电子产品和移动通信设备。MWRF自创办以来一直在关注石墨烯在高频领域的研究进展，今天我们就来谈谈石墨烯在高频领域的应用前景及最新研究进展。

石墨烯高频电子特性

石墨烯的发现者可能未曾预料到它的研发会有如此迅猛的突破。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·K·海姆（Andre.K.Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Kostya.Novoselov）通过简单的"机械剥离法"， 利用"胶带"从石墨表面"撕"出单层的石墨--石墨烯。2010年诺贝尔物理学奖授予了这两位物理学家，以表彰他们对石墨烯的研究。

石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。

基于以上信息，石墨烯具有远比硅高的载流子迁移率，是一种性能非常优异的半导体材料，有望成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。

几款高频材料电子特性对比图

石墨烯具有极高的载流子迁移率，可用于制作高响应速度的射频器件。射频晶体管的重要参数之一是截止频率，一般可通过缩小沟道长度来提高。目前实验上石墨烯场效应管的沟道长度最小已做到40nm，得到最大截止频率为300GHz。电子在石墨烯中的运行速度能够达到光速的 1/300，要比在其他介质中的运行速度高很多，而且只会产生很少的热量。石墨烯的这些特性尤其适合于高频电路，使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到 1THz（即1000GHz）。

石墨烯是替代硅的理想材料

相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能，通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴。随着Intel等IC设计公司在IPC上已经相继遭遇紧瓶，提升主频已经是成为了提升CPU性能的不二之选。硅基材料集成电路主频越高，热量也随之提高，并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G，日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G，笔记本电脑为了控制CPU功耗，主频普遍控制在2G到3G之间。

但如果使用石墨烯材料，那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料，石墨烯的载流子迁移率在室温下可达硅的10倍以上，在实验室环境下最高可达100倍，饱和速度是硅的5倍，电子运动速度达到了光速的1/300。同时具有非常好的导热性能，芯片的主频可以达到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗。因此，采用石墨烯材料的芯片具有极高的工作频率和极小的尺寸，而且石墨烯芯片制造可与硅工艺兼容，是硅的理想替代材料--在前端设计水平相当的情况下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍，随着技术发展，进一步挖掘潜力，性能可能会是传统硅基芯片的上百倍！同时还拥有更低的功耗。

石墨烯在通信领域的应用

通信产品里有大量芯片，基站设备的DSP，路由器、调制解调器、交换