轉(zhuǎn)自  微波射頻網(wǎng)

　　2015年10月，習(xí)近平主席參觀了英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的國(guó)家石墨烯研究所院，石墨烯引起了社會(huì)各界更多的關(guān)注。其實(shí)在石墨烯產(chǎn)業(yè)層面，這已經(jīng)不是習(xí)近平主席第一次關(guān)注石墨烯，早在2014年底，習(xí)近平在南京考察江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院時(shí)，曾拿起石墨烯氣體阻隔膜，了解產(chǎn)品性能、市場(chǎng)應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)前景等。

　　自2004年石墨烯在實(shí)驗(yàn)室被正式制備以來(lái)，石墨烯已進(jìn)入快速發(fā)展期，其相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用普及將伴隨著石墨烯生產(chǎn)能力的提高和材料技術(shù)換代升級(jí)而逐步實(shí)現(xiàn)。如今，對(duì)于石墨烯的研究正在全世界展開(kāi)，未來(lái)，隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐也將加快，基于已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域很可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天和新能源電池領(lǐng)域。

　　目前，華為已宣布與曼徹斯特大學(xué)合作研究石墨烯的應(yīng)用，研究如何將石墨烯領(lǐng)域的突破性成果應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品和移動(dòng)通信設(shè)備。微波射頻網(wǎng)自創(chuàng)辦以來(lái)一直在關(guān)注石墨烯在高頻領(lǐng)域的研究進(jìn)展，今天我們就來(lái)談?wù)勈┰诟哳l領(lǐng)域的應(yīng)用前景及最新研究進(jìn)展。

石墨烯的高頻電子特性

　　石墨烯的發(fā)現(xiàn)者可能未曾預(yù)料到它的研發(fā)會(huì)有如此迅猛的突破。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·K·海姆（Andre.K.Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Kostya.Novoselov）通過(guò)簡(jiǎn)單的“機(jī)械剝離法”， 利用“膠帶”從石墨表面“撕”出單層的石墨--石墨烯。2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了這兩位物理學(xué)家，以表彰他們對(duì)石墨烯的研究。

　　石墨烯具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，它的晶格是由六個(gè)碳原子圍成的六邊形，厚度為一個(gè)原子層。碳原子之間由σ鍵連接，結(jié)合方式為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強(qiáng)100倍，甚至還要超過(guò)鉆石。在石墨烯中，每個(gè)碳原子都有一個(gè)未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中自由移動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。石墨烯是已知的世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過(guò)15000cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。

　　基于以上信息，石墨烯具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率，是一種性能非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，有望成為下一代超高頻率晶體管的基礎(chǔ)材料而廣泛應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。

幾款高頻材料電子特性對(duì)比圖

　　石墨烯具有極高的載流子遷移率，可用于制作高響應(yīng)速度的射頻器件。射頻晶體管的重要參數(shù)之一是截止頻率，一般可通過(guò)縮小溝道長(zhǎng)度來(lái)提高。目前實(shí)驗(yàn)上石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的溝道長(zhǎng)度最小已做到40nm，得到最大截止頻率為300GHz。電子在石墨烯中的運(yùn)行速度能夠達(dá)到光速的 1/300，要比在其他介質(zhì)中的運(yùn)行速度高很多，而且只會(huì)產(chǎn)生很少的熱量。石墨烯的這些特性尤其適合于高頻電路，使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)出的處理器能夠達(dá)到 1THz（即1000GHz）。

石墨烯是替代硅的理想材料

　　相對(duì)于通過(guò)前端設(shè)計(jì)提升微結(jié)構(gòu)來(lái)提高芯片性能，通過(guò)后端設(shè)計(jì)來(lái)提升主頻顯然更加簡(jiǎn)單粗暴。隨著Intel等IC設(shè)計(jì)公司在IPC上已經(jīng)相繼遭遇緊瓶，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(xiàn)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(jié)果就可能不同了。因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)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(dá)硅的10倍以上，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下最高可達(dá)100倍，飽和速度是硅的5倍，電子運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300。同時(shí)具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻可以達(dá)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(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那闆r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(qiáng)幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會(huì)是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍！同時(shí)還擁有更低的功耗。

石墨烯在通信領(lǐng)域的應(yīng)用

　　通信產(chǎn)品里有大量芯片，基站設(shè)備的DSP，路由器、調(diào)制解調(diào)器、交換機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)品都需要芯片，而性能更強(qiáng)的芯片也就意味著更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，意味著更快的通訊速度。舉例來(lái)說(shuō)，目前主流的4G系統(tǒng)基站雖然已經(jīng)采用了負(fù)責(zé)基帶處理的BBU+負(fù)責(zé)射頻的RRU通過(guò)光纖拉遠(yuǎn)的架構(gòu)，但由于機(jī)房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設(shè)置以節(jié)省機(jī)房的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，同時(shí)也要求對(duì)基帶資源共享、集中調(diào)度等功能的實(shí)現(xiàn)。由于基帶信號(hào)對(duì)帶寬和各項(xiàng)處理資源的消耗很大，現(xiàn)有芯片和背板處理速度根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的基帶資源集中調(diào)度和共享，同時(shí)在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰(zhàn)。

　　若采用石墨烯材料，不但芯片處理能力、數(shù)據(jù)交換速率能得到大幅提升，石墨烯良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)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(xiàn)處理能力達(dá)到上萬(wàn)載頻的集中式基帶資源池。

　　石墨烯也可以作為天線的材料。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室提出石墨烯無(wú)線天線構(gòu)想，該構(gòu)想中，由石墨烯制成的天線以1000GHz的頻率正常工作，遠(yuǎn)超目前常規(guī)的天線。如果這個(gè)構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí)，那么就意味著更多高頻段的頻譜資源可以被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)，從而提供更大的系統(tǒng)帶寬和吞吐速率。

石墨烯毫米波器件軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

　　石墨烯由于其特有的高遷移率、良好的噪聲性能等，在低噪聲放大應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢(shì)，能廣泛的應(yīng)用于W波段以及以上波段的毫米波單片集成電路（MMIC）和低噪聲放大器等電路中，在毫米波、亞毫米波乃至太赫茲器件等方面具有重大的應(yīng)用前景。

半導(dǎo)體材料在微波毫米波器件的應(yīng)用頻段

　　基于石墨烯溝道的超高速、超低噪聲、超低功耗的場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其集成電路，可望突破當(dāng)前高頻電子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶頸，為開(kāi)發(fā)新型高分辨成像技術(shù)、高性能雷達(dá)系統(tǒng)、高頻寬帶通信技術(shù)、超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)提供新的思路和解決方案。

　　專(zhuān)家預(yù)測(cè)石墨烯的研究成果將對(duì)高端軍用系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)生難以估量的沖擊力，包括毫米波精密成像系統(tǒng)、毫米波超寬帶通信系統(tǒng)、雷達(dá)及電子戰(zhàn)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)應(yīng)用于軍事裝備，可以大大提高軍隊(duì)在3mm波段的電子對(duì)抗、通信、雷達(dá)系統(tǒng)的水平，實(shí)現(xiàn)信息化和自動(dòng)化的新的跨越。

國(guó)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　自2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位物理學(xué)家首次制備出石墨烯以來(lái)，石墨烯受到全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都對(duì)石墨烯的研究投入了大量的人力和財(cái)力。

　　美國(guó)

　　美國(guó)近年來(lái)對(duì)石墨烯的經(jīng)費(fèi)投入非常巨大，大大推動(dòng)了他們?cè)谠摲矫娴目茖W(xué)進(jìn)展。已經(jīng)把石墨烯定位于最可能取代Si材料的下一代半導(dǎo)體材料，軍方、企業(yè)界、大學(xué)都花了很大的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行石墨烯材料和器件的研究。DAPRA統(tǒng)籌規(guī)劃，從石墨烯材料制備、器件工藝、電路等方向齊頭并進(jìn)，并已經(jīng)制作出W波段的低噪聲放大器。

　　美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)2008年7月發(fā)布了碳電子射頻應(yīng)用項(xiàng)目(總資2 200萬(wàn)美元)，主要開(kāi)發(fā)超高速和超低能量應(yīng)用的石墨烯基射頻電路，即用石墨烯制造電腦芯片和晶體管。該項(xiàng)目的最終目標(biāo)(2012年9月結(jié)題之前)是完成石墨烯晶體管的高性能(＞10 000 cm2 Vs-1霍耳遷移率)、W波段(＞90 GHz)低噪聲放大器的實(shí)證研究，以及使200 mm晶圓的產(chǎn)量＞90%，使它們具有成本效益。

　　美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)2009年5月發(fā)布了石墨烯基材料超電容應(yīng)用項(xiàng)目，主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)開(kāi)發(fā)石墨烯基電子材料，提高超級(jí)電容器性能，使其具有較高的能量和功率密度；(2)表征石墨烯基電子材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能特征；(3)加強(qiáng)對(duì)石墨烯基超級(jí)電容器中電化學(xué)雙層和決定其性能因素的基本認(rèn)識(shí)；(4)調(diào)查離子液體作為石墨烯基超級(jí)電容器電解液的相容性；(5)開(kāi)發(fā)新型超級(jí)電容器電池組裝工藝和電池測(cè)試方法。項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)費(fèi)為63.4萬(wàn)美元，研究周期為2009年7月1日至2012年7月30日，由得州大學(xué)奧斯汀分校具體負(fù)責(zé)研究和實(shí)施。

　　美國(guó)結(jié)構(gòu)材料工業(yè)公司(SMI)2009年11月宣布，獲得NSF的小型企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移項(xiàng)目(STTR)一期資助，用于開(kāi)發(fā)以石墨烯為基質(zhì)的高靈敏度NOx探測(cè)器。其合作方為康奈爾大學(xué)、南卡羅來(lái)納大學(xué)，分別提供石墨烯薄膜生長(zhǎng)技術(shù)和氣體探測(cè)器表征技術(shù)。

　　2008年3月：IBM沃森研究中心的科學(xué)家在世界上率先制成了基于SiC襯底的低噪聲石墨烯晶體管。普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱(chēng)做1/f的噪音會(huì)越來(lái)越明顯，使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(Hooge's law)”，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象。因此，如何減小1/f噪聲成為實(shí)現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問(wèn)題之一。IBM通過(guò)重疊兩層石墨烯，試制成功了晶體管。由于兩層石墨烯之間生成了強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制了1/f噪音。IBM華裔研究人員林育明的該發(fā)現(xiàn)證明，兩層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。

IBM采用雙層石墨烯結(jié)構(gòu)降低器件噪聲

　　2009年5月，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)在高質(zhì)量2英寸石墨烯薄膜及其射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管方面取得了突破，下圖顯示了器件的結(jié)構(gòu)和電子輸運(yùn)特性。HRL資深科學(xué)家Jeong-Sun Moon表示，該器件擁有全球最高的場(chǎng)遷移率，約6000cm2/Vs，是現(xiàn)階段最先進(jìn)硅基n-MOSFET的6-8倍。他們使用Aixtron的VP508 CVD反應(yīng)設(shè)備，通過(guò)從6H-SiC晶體中升華硅的方法，成功制成了石墨烯薄膜。之后使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻膠工藝和氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備了晶體管。

HRL實(shí)驗(yàn)室在2英寸石墨烯薄膜上的射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管

　　在2010年2月出版的《Science》雜志上，IBM的研究人員展示了一種由SiC單晶襯底上生長(zhǎng)石墨烯材料制作而成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），其截止頻率可達(dá)100 GHz，這是運(yùn)行速度最快的射頻石墨烯晶體管。這一成就是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)“碳電子射頻應(yīng)用項(xiàng)目” (CERA)取得的重大進(jìn)展，為研發(fā)下一代通信設(shè)備鋪平了道路。研究人員通過(guò)使用與現(xiàn)行的先進(jìn)硅器件制造技術(shù)相兼容的加工技術(shù)制成了晶圓規(guī)模、外延生長(zhǎng)的石墨烯，從而達(dá)成了此高頻記錄。

　　2010年6月，石墨烯FET突破上次記錄。來(lái)自IBM公司的Ph.Avouris， 林育明等人運(yùn)用SiC高溫升華法，把2英寸4H-SiC Si面襯底在1450℃下高溫退火，制得大部分由單層石墨烯覆蓋的2英寸片。經(jīng)氧等離子體刻蝕形成溝道區(qū)，熱蒸發(fā)源漏金屬電極，ALD方法制備柵電介質(zhì)，最終制備出柵長(zhǎng)為90nm，截止頻率fT達(dá)到170GHz的FET器件。

　　2011年6月10日，IBM 的研究人員在《Science》上發(fā)表了晶圓級(jí)石墨烯集成電路的最新結(jié)果，將石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管和電感單片集成在SiC襯底上，研制出最高可工作到10GHz的寬帶混頻器集成電路，如下圖所示。

IBM最新研制的石墨烯混頻器照片

　　2013年由Roman Sordan領(lǐng)導(dǎo)的來(lái)自米蘭理工大學(xué) (Politecnico di Milano) 和伊利諾伊大學(xué)Eric Pop 學(xué)院(Eric Pop of the University of Illinois) 的小組稱(chēng)他們制作出了第一個(gè)集成石墨烯振蕩器，并可在1.28 GHz下運(yùn)行。和傳統(tǒng)的硅CMOS裝置及早期的二維材料裝置相比，這種振蕩器對(duì)電源電壓的波動(dòng)更加不敏感。研究小組稱(chēng)，這種環(huán)形振蕩器是實(shí)現(xiàn)全石墨烯微波電路道路上重要的一步。該研究成果發(fā)表在 ACS Nano上。

　　2014年美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究人員公布了一項(xiàng)研究成果：用石墨烯制作的天線非常適于利用頻率在0.1THz到10THz之間的電磁波，即“太赫茲波”的無(wú)線通信。于是，制作用一般金屬天線無(wú)法實(shí)現(xiàn)的約1μm長(zhǎng)太赫茲無(wú)線模塊就有了實(shí)現(xiàn)的可能。

　　IBM于2014年初又取得了一項(xiàng)里程碑式的技術(shù)突破，利用主流硅CMOS工藝制作了世界上首個(gè)多級(jí)石墨烯射頻接收器，并進(jìn)行了文本信息收發(fā)測(cè)試，結(jié)果表明，它的性能比以往的石墨烯集成電路好1000倍，達(dá)到了與硅技術(shù)的現(xiàn)代無(wú)線通信能力相媲美的程度。研究發(fā)表在2014年出版的《自然通訊》(Nature Communications)上。

　　歐洲

　　歐盟FP7框架計(jì)劃2008年1月發(fā)布了石墨烯基納米電子器件項(xiàng)目。該項(xiàng)目為FP7的聯(lián)合研究項(xiàng)目，主要研究“超越CMOS”(Beyond CMOS)領(lǐng)域的技術(shù)，參加機(jī)構(gòu)包括德國(guó)AMO有限公司、意大利大學(xué)納米電子研究組(IUNET)、英國(guó)劍橋大學(xué)半導(dǎo)體物理組(UCAM DPHYS)、法國(guó)原子能機(jī)構(gòu)(CEA)的LETI和法國(guó)STMicroelectronics SAS、愛(ài)爾蘭科克大學(xué)(University College Cork)的Tyndall納米研究所等組成。項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)為239萬(wàn)歐元，研究周期為2008年1月1日至2010年12月31日。

　　歐洲研究理事會(huì)(ERC)資助了石墨烯物理性能和應(yīng)用研究項(xiàng)目。項(xiàng)目研究經(jīng)費(fèi)為177.5萬(wàn)歐元，研究周期為3年，負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)為英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理與天文學(xué)院。該項(xiàng)目有三個(gè)主要方向：(1)重點(diǎn)研究石墨烯薄膜和獨(dú)特的一維性能；(2)模擬無(wú)質(zhì)量相對(duì)論粒子的石墨烯電荷載體；(3)石墨烯晶體管的應(yīng)用研究。歐洲科學(xué)基金會(huì)(ESF)2008年12月發(fā)布了擴(kuò)大石墨烯研究在科學(xué)和創(chuàng)新方面的影響力的基金申請(qǐng)項(xiàng)目，即歐洲石墨烯項(xiàng)目(EuroGRAPHENE)，共有19個(gè)國(guó)家的20個(gè)基金資助機(jī)構(gòu)參與該項(xiàng)目的資助。歐洲石墨烯項(xiàng)目是一個(gè)4年期的研究計(jì)劃，需要?dú)W洲范圍內(nèi)廣泛而有深度的合作。該項(xiàng)目主要研究領(lǐng)域包括石墨烯物理性能、機(jī)械和電子-機(jī)械性能、化學(xué)修飾，以及尋找設(shè)計(jì)石墨烯電子特性的新方法和制備以石墨烯為基礎(chǔ)的功能應(yīng)用器件。

　　德國(guó)科學(xué)基金會(huì)(DFG)于2009年7月宣布開(kāi)展石墨烯新興前沿研究項(xiàng)目，項(xiàng)目時(shí)間跨度為6年。該項(xiàng)目的目標(biāo)是提高對(duì)石墨烯性能的理解和操控，以建立新型的石墨烯基電子產(chǎn)品。基金資助領(lǐng)域主要包括：石墨烯基電子設(shè)備的制備；石墨烯電子、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、振動(dòng)等性能表征與操控；石墨烯納米結(jié)構(gòu)制備和表征及性能操控；石墨烯與襯底材料、柵極材料相互作用的理解和控制；輸運(yùn)研究(如聲子和電子傳輸、量子傳輸、彈道輸運(yùn)、自旋輸運(yùn))、新型裝置示范(如場(chǎng)效應(yīng)器件、等離子器件、單電子晶體管)以及石墨烯的理論研究(如石墨烯電子和原子結(jié)構(gòu)、電子聲子運(yùn)輸、自旋、石墨烯機(jī)械和振動(dòng)性能、納米結(jié)構(gòu)、器件模擬)等。

　　英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)資助了石墨烯基自旋器件模擬項(xiàng)目，項(xiàng)目承擔(dān)機(jī)構(gòu)為蘭卡斯特大學(xué)，項(xiàng)目研究時(shí)間跨度為2010年1月1日至2012年12月31日，資助額度為4.9萬(wàn)英鎊。EPSRC還資助了石墨烯基晶體管傳輸模擬項(xiàng)目，項(xiàng)目承擔(dān)機(jī)構(gòu)也為蘭卡斯特大學(xué)，時(shí)間跨度為2007年10月23日至2010年8月22日，資助額度為19.8萬(wàn)英鎊。2014年10月 英國(guó)財(cái)政大臣奧斯本宣布英國(guó)將投資6000萬(wàn)英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立石墨烯工程創(chuàng)新中心（GEIC），打造新的尖端石墨烯研究設(shè)施，以開(kāi)發(fā)和維持英國(guó)在石墨烯及有關(guān)2-D材料方面的世界領(lǐng)先地位。

　　2014年歐盟未來(lái)新興技術(shù)（FET）石墨烯旗艦計(jì)劃發(fā)布了首份招標(biāo)公告和科技路線圖，介紹了擬資助的研究課題和支持課題，以及根據(jù)領(lǐng)域劃分的工作任務(wù)，每項(xiàng)課題都涉及多項(xiàng)工作任務(wù)。根據(jù)路線圖，石墨烯旗艦計(jì)劃將分兩階段進(jìn)行：初始熱身階段（2013年10月1日至2016年3月31日，共資助5400萬(wàn)歐元）和穩(wěn)定階段（2016年4月開(kāi)始，預(yù)計(jì)每年資助5000萬(wàn)歐元）。主要研究課題包括：面向射頻應(yīng)用的無(wú)源組件、GRM與半導(dǎo)體器件的集成、高頻電子學(xué)、柔性電子學(xué)、硅光子學(xué)的集成、光電子學(xué)。

　　部分研究進(jìn)展

　　2009年：意大利的科研人員成功地用石墨烯制造了首枚包含兩個(gè)晶體管的集成電路，它擁有簡(jiǎn)單的計(jì)算能力，標(biāo)制著碳基電子學(xué)時(shí)代的到來(lái)。這枚只有兩個(gè)晶體管的集成電路雖然很小，卻是向制造碳基高性能電子器件邁出的重要一步。

　　2012年1月：瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers Universityof Technology）宣布利用一個(gè)石墨烯晶體管（GFET）便制造出了用于微波用途的次諧波混頻器。次諧波混頻器是從RF信號(hào)直接輸出基帶信號(hào)（直接轉(zhuǎn)換方式）或者輸出低IF（中頻）信號(hào)（低IF方式）的常用混頻電路之一。LO的頻率為fLO、RF信號(hào)的頻率為fRF時(shí)，被輸出的IF信號(hào)的頻率為|fRF－2fLO|。此次制造的次諧波混頻器在fRF為2GHz、fLO為1.01GHz時(shí)，輸出|fRF－2fLO|＝20MHz的IF信號(hào)。

　　2014年2月：由歐盟第七研發(fā)框架計(jì)劃（FP7）提供全額資助、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）伽里.基納瑞（Jari KINARET）教授領(lǐng)導(dǎo)的歐洲AUTOSUPERCAP研發(fā)團(tuán)隊(duì)，利用最新的石墨烯（Graphene）材料技術(shù)制作出創(chuàng)新型的大功率超級(jí)電容器（Supercapacitors）。

　　2015年5月：英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家們宣布已經(jīng)找到一種利用石墨烯打印出天線的方法。利用壓縮石墨烯墨水打印出的天線不僅靈活、環(huán)保、價(jià)格低廉，還可大批量生產(chǎn)，能夠應(yīng)用在射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽和無(wú)線傳感器上。該成果發(fā)表在最近一期《應(yīng)用物理快報(bào)》上。

　　2015年11月：德國(guó)亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫(HZDR)研究中心的科學(xué)家通過(guò)在SiC上一個(gè)微小的片狀石墨烯加上天線，開(kāi)發(fā)出一種新的光學(xué)探測(cè)器。據(jù)稱(chēng)，這種新型探測(cè)器可以迅速的反射所有不同波長(zhǎng)的入射光，并可在室溫下工作。這是單個(gè)檢測(cè)器首次實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)光譜范圍從可見(jiàn)光到紅外輻射，并一直到太赫茲輻射。

　　日本

　　日本學(xué)術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)2007年就開(kāi)始了對(duì)石墨烯硅材料/器件的技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的資助。該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)為日本東北大學(xué)。該項(xiàng)目主要是開(kāi)發(fā)“石墨烯硅”材料/工藝技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)先進(jìn)的輔助開(kāi)關(guān)器件(CGOS)和等離子共振赫茲器件(PRGOS)。這項(xiàng)研究將能實(shí)現(xiàn)電荷傳輸無(wú)時(shí)間、超高速、大規(guī)模集成的器件技術(shù)。

　　2008年6月日本東北大學(xué)電通信所末光真希教授將SiC在真空條件下加熱至1000多度，除去硅而余下碳，通過(guò)自組形式形成單層石墨烯。末光教授的團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制SiC形成時(shí)的結(jié)晶方向和Si襯底切割的結(jié)晶方向，得到了100×150平方微米面積的兩層石墨膜，其晶格畸變率僅為1.7%。其他科研團(tuán)隊(duì)利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為20%，因而不能制成可實(shí)際應(yīng)用的器件。

　　國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
　　中國(guó)是目前石墨烯研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)最為活躍的國(guó)家之一。數(shù)據(jù)顯示，在所有國(guó)家中，中國(guó)申請(qǐng)的石墨烯專(zhuān)利數(shù)量最多，已超過(guò)2200項(xiàng)，占全世界的1/3。2013年工信部發(fā)布的 《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的前沿新材料中就包含石墨烯。國(guó)家自然科學(xué)基金委資助了大量有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家973計(jì)劃也部署了一批重大項(xiàng)目。各級(jí)政府對(duì)石墨烯表現(xiàn)出極大的興趣，已經(jīng)初步形成了政府、科研機(jī)構(gòu)、研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的官產(chǎn)學(xué)研合作對(duì)接機(jī)制。

　　在高頻領(lǐng)域主要研究進(jìn)展

　　2011年5月消息：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常凱研究員和博士生吳振華、浙師大翟峰教授等合作者，研究發(fā)現(xiàn)，在存在應(yīng)力時(shí)，石墨烯中的電子以某些特定的入射角入射到應(yīng)力區(qū)界面時(shí)，處于相反谷中的電子可以分別完美隧穿通過(guò)應(yīng)力區(qū)或被應(yīng)力區(qū)完全反射，這一現(xiàn)象類(lèi)比自然光以布儒斯特角入射到電介質(zhì)界面時(shí)得到線偏振光的過(guò)程。該研究成果發(fā)表在國(guó)際著名物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Phys. Rev. Lett., 106, 176802 (2011))。該項(xiàng)研究對(duì)于構(gòu)建石墨烯谷電子學(xué)器件具有重要意義。

　　2011年8月消息： 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微波器件與集成電路研究室（四室）石墨烯研究小組成員(麻芃、郭建楠、潘洪亮)在金智研究員和劉新宇研究員的帶領(lǐng)下，分別在采用微機(jī)械剝離方法、SiC外延生長(zhǎng)法和化學(xué)氣相淀積(CVD)法生長(zhǎng)出的新型石墨烯材料上，成功研制出高性能的石墨烯電子器件。

　　2012年9月消息：湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院張晗教授和文雙春教授領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)石墨烯光子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)證明了石墨烯除了其眾所周知的光飽和吸收性之外，還具有微波和太赫茲飽和吸收性。這些研究成果已發(fā)表在2012期光學(xué)快報(bào)（“石墨烯的微波和光飽和吸收”）。

　　該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)通過(guò)以0.8GHz的頻率間隔從96GHz不斷的調(diào)節(jié)微波頻率直到100GHz（調(diào)制深度為4.58%至12.77%），石墨烯的微波飽和吸收性就會(huì)被證實(shí)。通過(guò)對(duì)相同樣品進(jìn)行的Z-掃描測(cè)量，石墨烯的光飽和吸收性質(zhì)也會(huì)得到確認(rèn)。

100GHz微波產(chǎn)生裝置和石墨烯中波飽和吸收特性分析系統(tǒng)裝置

　　2013年消息：北京大學(xué)凝聚態(tài)物理與材料物理研究所呂勁課題組通過(guò)第一性原理的量子輸運(yùn)模擬發(fā)現(xiàn)，亞10納米石墨烯晶體管截止頻率依然隨溝道長(zhǎng)度減小而反比增大，因此可以通過(guò)連續(xù)縮小石墨烯晶體管的溝道長(zhǎng)度提高截止頻率，最高可達(dá)幾十太赫茲。如果設(shè)法打開(kāi)石墨烯能隙，石墨烯晶體管輸出特性曲線會(huì)出現(xiàn)非常明顯的電流飽和性質(zhì)，這將大大提高石墨烯射頻場(chǎng)效應(yīng)管的電壓贏得和最大震蕩頻率（射頻器件性能表現(xiàn)的另外兩個(gè)重要參數(shù)），同時(shí)太赫茲以上的截止頻率依然能得到保持。該研究為把石墨烯射頻場(chǎng)效應(yīng)器件表演推向極限提供了理論指導(dǎo)。研究成果發(fā)表在自然出版集團(tuán)新刊《Scientific Reports》上（Sub-10 nm Gate Length Graphene Transistors: Operating at Terahertz Frequencies with Current Saturation, Scientific Reports 3, 1314 (2013);）

　　2013年消息：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米中心研究人員與安徽大學(xué)合作，利用水熱的方法制備了三維結(jié)構(gòu)的還原石墨烯/α-Fe2O3復(fù)合水凝膠，首次發(fā)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的石墨烯基復(fù)合材料有著優(yōu)異的微波吸收性能。在頻率為7.12千兆赫茲時(shí)，復(fù)合水凝膠達(dá)到最低反射損耗-33.5 dB； 在厚度僅為3毫米時(shí)達(dá)到最寬的低于-10dB（90%的電磁波被吸收）的吸收帶寬-6.4千兆赫茲（從10.8到17.2千兆赫茲)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國(guó)際核心期刊《材料化學(xué)A》上（J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 8547）。

　　2014年消息：西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院吳邊副教授通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備了多層大尺寸透明石墨烯薄膜，通過(guò)堆疊多層石墨烯薄膜和透明石英基片的方法實(shí)現(xiàn)了寬帶的Fabry-Perot諧振，然后將透明合成材料貼附在金屬表面實(shí)現(xiàn)寬帶吸波，最終利用毫米波反射測(cè)量驗(yàn)證了該石墨烯透明吸波器在125-165GHz范圍內(nèi)吸收率達(dá)到90%以上。這一成果是吳邊副教授在倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院公派留學(xué)期間與劍橋大學(xué)石墨烯研究中心合作完成的。該成果很好地解決了透明吸波材料在寬頻帶的應(yīng)用問(wèn)題，為石墨烯納米材料在毫米波和太赫茲通信領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要參考，在隱身材料方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。研究成果《Experimental demonstration of a transparent graphene millimetre wave absorber with 28% fractional bandwidth at 140 GHz》 2014年2月14日發(fā)表在《Nature》子刊 《Scientific Reports》上。

　　2015年6月消息：武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室超快光學(xué)團(tuán)隊(duì)陸培祥教授、王兵教授、博士生柯少林等針對(duì)十字形石墨烯陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬。研究表明，在紅外和太赫茲波段，陣列結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的表面等離激元共振可以有效地增強(qiáng)石墨烯對(duì)光的吸收。當(dāng)十字形結(jié)構(gòu)的臂寬增大時(shí)，即使石墨烯的占有率很低，也可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收。此外，增加石墨烯化學(xué)勢(shì)和電子弛豫時(shí)間可以顯著地增強(qiáng)吸收。研究表明，如果采用互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，吸收將會(huì)得到進(jìn)一步增強(qiáng)。利用多層結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)雙峰吸收和寬帶吸收。該研究成果系統(tǒng)展示了石墨烯周期微結(jié)構(gòu)的光吸收增強(qiáng)及其可調(diào)特性，在太陽(yáng)能電池、發(fā)射器、傳感器、空間光調(diào)制器等光電子器件中潛在的應(yīng)用價(jià)值。

　　2015年9月消息：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制成功可集成的石墨烯量子芯片單元。該實(shí)驗(yàn)室固態(tài)量子芯片組郭國(guó)平教授與合作者成功實(shí)現(xiàn)了石墨烯量子點(diǎn)量子比特和超導(dǎo)微波腔量子數(shù)據(jù)總線的耦合，首次測(cè)定了石墨烯量子比特的相位相干時(shí)間及其奇特的四重周期特性，并首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)石墨烯量子比特的長(zhǎng)程耦合，為實(shí)現(xiàn)集成化量子芯片邁出了重要的一步。系列成果分別在《物理評(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 115, 126804 (2015)]和《納米快報(bào)》[Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02400(2015)]上發(fā)表。

兩個(gè)石墨烯量子比特與超導(dǎo)微波腔長(zhǎng)程耦合樣品圖和測(cè)量裝置示意圖

　　郭國(guó)平研究組在2008年提出將超導(dǎo)腔引入半導(dǎo)體量子芯片做量子數(shù)據(jù)總線的理論方案[Phys. Rev. Lett.101, 230501 (2008)]后，經(jīng)過(guò)近7年的努力先后攻克了石墨烯全電控單雙量子點(diǎn)的制備、石墨烯量子比特的設(shè)計(jì)構(gòu)造等系列難關(guān)，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型超導(dǎo)微波諧振腔，最終實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)微波腔與石墨烯量子比特的復(fù)合結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該新型超導(dǎo)量子數(shù)據(jù)總線與石墨烯量子比特的耦合強(qiáng)度達(dá)到30MHz，在未來(lái)大規(guī)模集成的量子芯片架構(gòu)中將具有重要意義。

　　總結(jié)

　　IBM 公司負(fù)責(zé)科研的副總裁陳自強(qiáng)博士表示，石墨烯的一大優(yōu)勢(shì)在于其中的電子可實(shí)現(xiàn)極高速的傳輸，這對(duì)于下一代高速、高性能晶體管的研發(fā)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。上述一系列技術(shù)突破清楚地表明了石墨烯在高性能器件和集成電路方面的巨大應(yīng)用前景。