中国研究者拿到“金钥匙”，将打开“黑金”赋能汽车的大门

可以极大推动汽车芯片的进步，也可以极大改善新能源汽车动力电池的性能……有“黑金”之称的石墨烯，其应用的关键技术一环上此前一直有一把“锁”，而如今，中国研究者终于凭借自己的力量拿到开锁的“金钥匙”，有望为石墨烯在汽车芯片等领域的应用打开大门，铺平道路。

1月3日，国际科学家权威期刊《自然》上发表的论文《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》表明，天津大学纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的专业研究团队攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，在保证石墨烯优良特性的前提下，打开了石墨烯带隙，成为开启石墨烯芯片制造领域大门的重要里程碑。

自主研发的新成果

上述论文显示，通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。这种半导体石墨烯的电子迁移率远超目前常用的硅材料，表现出了十倍于硅的性能，并且拥有硅材料所不具备的独特性质。

据了解，该研究成果采用创新的准平衡退火方法，制备出超大单层单晶畴半导体外延石墨烯，具有生长面积大、均匀性高，工艺流程简单、成本低廉等优势。该方法制备的半导体石墨烯，拥有约600毫电子伏带隙以及高达5500厘米平方每伏特秒的室温霍尔迁移率，优于目前所有二维晶体至少一个数量级。以该半导体外延石墨烯制备的场效应晶体管开关比高达10000，基本满足了汽车等行业工业化应用的需求。

此前，由于石墨烯难以替代的优异特性，自2006年起，全球都在集中研发石墨烯制备技术。美国、韩国、中国、日本等国家对其的研究尤其活跃。至今为止，现有制法都还不能满足石墨烯产业化的要求。产业化要求石墨烯制备技术能稳定、低成本地生产大面积、高纯度的石墨烯，这才是目标。

石墨烯的不凡特性

石墨烯被称为21世纪的“新材料之王”，也被看作是包括汽车在内很多工业中最有希望的材料“新星”。

“更薄、更轻、更强、更坚硬以及导电率更好是石墨烯最突出的特性，极少有材料能同时兼具这些特性。”西安工业大学微电子技术实验室工程师魏冬在接受《中国汽车报》记者采访时介绍，石墨烯之所以更薄、更轻，是因为它只有一个原子层厚度，0.338纳米；更强、更坚硬体现在比钢强韧100倍以上；导电性更好，是其电子迁移率是硅材料的100倍；导热性更好，体现在是常规使用的金属铜的10倍。石墨烯以往存在的最大难题，就是如何批量化制备。上述天津大学研究团队的成果，为解决这一问题带来了一条路径。

据介绍，石墨烯的导电性极佳，其电子传输速度达到光速的1/300，大大超过了在一般金属导体和半导体中的传导速度。石墨烯有超高透光率，在很宽的波长范围内的吸光度仅为2.3%，即单层石墨烯的透光率达到97.7%，远远高于透明导电薄膜国际通用标准85%的要求。在超高强度上，石墨烯被发现是继碳纳米管之后具有最高弹性模量和强度的材料。其硬度比自然界中最硬的材料金刚石还高，同时又拥有极好的柔韧性，可以随意弯曲。

而且，石墨烯与石墨、金刚石和碳纳米管相似，拥有非常高的热导率，自由态的单层石墨烯在室温下热导率，是目前已知的导热率最高的材料。石墨烯的超大比表面积，远远大于普通活性炭的比表面积。

多方面为汽车赋能

近年来，随着汽车产业变革和新能源汽车的加速发展，汽车产业在芯片、电池及材料等领域的新需求日益增多，而对于像石墨烯这样有着独特优异性能的材料，同样是汽车行业新材料的最佳“人选”之一。

“在汽车芯片领域，目前硅是大量应用的基板。近年来随着工艺技术的不断改进，目前硅基芯片的运行速度达到了GHz的级别，但随着技术的不断进步，特别是对于算力速度的要求越来越高，硅基芯片正遭遇挑战，而石墨烯则以替代者的身份出现。”深圳先进技术研究院研究员俞荣锦向《中国汽车报》记者表示，由于硅基芯片受到材料自身性能的限制，处理速度达到4-5GHz后就很难再提高，已经逐渐难以满足自动驾驶算力芯片对速度的要求。在众多的材料中，石墨烯因其超高强度、超高热导率以及超强导电性等特性而最为引人瞩目。如果使用石墨烯作为基质生产的芯片处理器速度能够达到THz（即1000GHz）。

事实上，2010年，IBM就已经在实验室研制出运行速度超快的石墨烯晶体管，其最大频率可以达到230GHz，远远超过常规硅基芯片运行速度。

“同时，石墨烯还能从多方面为汽车赋能。”魏冬表示，例如，在超级电容器这种新型储能装置上，与充电电池相比，可进行不限流充电，因而充放电速率非常快，可以在几秒内完成充放电过程，同时具有功率高，使用寿命长等特点。将超级电容器与锂离子电池组合使用，可有效解决电动汽车超快充、加速慢等问题。由于石墨烯比表面积很大，所以以石墨烯为电极的超级电容器具有超高的容量，远高于其他材料作为电极的超级电容器，更适合作为动力电池的助力动力源。而且，石墨烯可以作为负极材料应用于锂离子电池，可以得到更高的比容量。

此外，由于石墨烯具有结构稳定、耐腐蚀、耐氧化、强度大、透光性好等特性，还可以在汽车电路、汽车面板、汽车座椅等方面提供更好的性能，如作为保护涂料层，几乎就可以再也不用担心爱车被划伤。

“石墨烯为汽车带来了更为广阔的想象空间，或将为汽车产业链、供应链带来许多革命性的变化，为用户创造更加美好的生活。”俞荣锦表示。