石墨烯，2004年重新發(fā)現(xiàn)的神奇材料以及其他許多二維材料正在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域取得進(jìn)展，這一切源于硅的適用價(jià)值開始逐漸消失。 雖然已經(jīng)有很多砷化鎵、氮化鎵和碳化硅等化合物在應(yīng)用中，但是這些材料通常只能在局部市場的特定領(lǐng)域上應(yīng)用。

二維層狀過渡金屬硫?qū)倩?Transition metal dichalcogenides -TMDCs)是一類由基本元素(主要是碲，硒，硫和氧)衍生而來的二維材料，被研究人員廣泛研究，用作半導(dǎo)體材料。 其中包括在芯片中使用的二硫化鉬(MOS2)，二硒化鉬(MOSe2)，二碲化鉬和碲化鉬(MOTe2)，二硫化鎢(WS2)和二硒化鎢(WSe2)。

TMDCs是以石墨烯(碳的同素異構(gòu)體)構(gòu)成導(dǎo)電體，單層六邊形的氮化硼(也被稱為白石墨烯)構(gòu)成絕緣體的半導(dǎo)體材料。這些材料可應(yīng)用于各類電子元器件、能量采集器件以及柔性透明基材。 TMDCs也正在與硅基板相結(jié)合，讓舊式硅片有更多的應(yīng)用空間和時(shí)間。 二維材料可以印刷在紙張基材上，由此開辟了一個(gè)全新的紙張?jiān)O(shè)備領(lǐng)域，比如傳感器。

單層石墨烯具有很高的導(dǎo)電性——這一點(diǎn)非常重要。 2D碳材料沒有帶隙，但這限制了它在集成電路中的使用。 而雙層石墨烯可以被調(diào)整為具有帶隙。研究人員發(fā)現(xiàn)，碳化硅上的雙層石墨烯薄膜可以得到更好的控制。 三層石墨烯也可調(diào)諧以產(chǎn)生帶隙，這是半導(dǎo)體器件中開發(fā)場效應(yīng)晶體管所必需的。

圖1:石墨烯。來源:Cambridge Nanosystems.

IDTechEx Research預(yù)測2027年石墨烯市場將增長到3億美元以上，當(dāng)年出貨量達(dá)到3,800多噸。

IDTechEx研究總監(jiān)Khasha Ghaffarzadeh表示：“市場將在許多應(yīng)用中分割，這反映出石墨烯的多樣性。總的來說，我們希望功能性油墨和涂料能夠早日進(jìn)入市場?，F(xiàn)在已經(jīng)可以觀察到它們原始的、小批量的應(yīng)用，這也是我們幾年前預(yù)測的一個(gè)趨勢。事實(shí)上，IDTechEx Research預(yù)計(jì)到2018年功能性油墨和涂料市場將占市場的21%。然而，最終能源儲(chǔ)存和復(fù)合材料將成為最大的行業(yè)，到2027年將控制著25%和40%的市場份額。”(Graphene，2D Materials and Carbon Nanotubes：Markets，Technologies and Opportunities，2017-2027。)

IBM多年來一直鼓吹碳納米管將作為硅的繼承者，并報(bào)告了基于碳納米管開發(fā)晶體管的進(jìn)展。

圖2: 40nm的CNT晶體管。來源:IBM

Robert Bosch微系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人Timothy Schultz說：“各種原子層直接暴露于環(huán)境、超高的電子遷移率、導(dǎo)熱性以及強(qiáng)度和靈活性等優(yōu)良特性，石墨烯似乎是一種很好的傳感器材料。在歐洲，我們從2012年開始進(jìn)行石墨烯研究，這使我們成為歐洲最早研究石墨烯的旗幟性機(jī)構(gòu)。在美國，除了其他領(lǐng)域的研究外，我們正在與伯克利加州大學(xué)和斯坦福大學(xué)一起積極進(jìn)行石墨烯的相關(guān)研究。”

“不過，進(jìn)展并不會(huì)一帆風(fēng)順。與任何新技術(shù)一樣，走的一條顛簸的工業(yè)化道路。有三個(gè)關(guān)鍵障礙：首先，晶圓級制造石墨烯是困難的，這是由于在大面積上獲得良好的均勻性、低的缺陷密度很不易，以及將其導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制程時(shí)存在帶給其他制程污染的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，在制造石墨烯的眾多方法之中會(huì)有適用的工業(yè)化制作方法。另外，我們需要一個(gè)強(qiáng)大的入口傳感器和應(yīng)用。對我們來說，一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是需要比現(xiàn)有技術(shù)中的任何特定參數(shù)都要好一個(gè)數(shù)量級。我們需要確定一個(gè)核心應(yīng)用程序，并獲得強(qiáng)大的投資回報(bào)。最后，將石墨烯納入器件中，并在制造過程中保持石墨烯的性能。我們可能會(huì)對基板，后續(xù)層面以及如何接觸石墨烯的特殊制程做出特殊要求。”

Alpha Assembly Solutions的戰(zhàn)略和技術(shù)收購總監(jiān)Rahul Raut表示，他的公司一直在與MacDermid 性能解決方案和英國曼徹斯特大學(xué)的國家石墨烯研究所合作。“目前，一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是能否以可擴(kuò)展的大批量生產(chǎn)方法為特定的應(yīng)用生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯。阿爾法與NGI的合作已經(jīng)開發(fā)出具有HVM能力的合成方法，該方法能夠制造大尺寸石墨烯薄片，使用該方法制成的石墨烯薄片具有獨(dú)特的性質(zhì)組合，使其適用于電子材料和其他相關(guān)材料應(yīng)用。”

其他市場

石墨烯的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電子產(chǎn)品的范疇。例如,英國哈戴爾公司的首席執(zhí)行官雷吉布斯說，該公司專注于納米材料的處理，正在與一家韓國公司合作，將石墨烯加入到炊具中。該公司還在與亨斯亨高級材料公司合作，后者正在設(shè)計(jì)一些材料，如船體外殼，用于制造高強(qiáng)度、低重量的汽車車身的結(jié)構(gòu)粘合劑。

Gibbs認(rèn)為：“在某些方面，少既是多，這也是納米材料的關(guān)鍵。”

劍橋大學(xué)石墨烯中心講師Felice Torrisi指出，石墨烯和二維材料也被用于智能織物和可穿戴電子產(chǎn)品的油墨中。該大學(xué)的研究人員能夠在紡織品上印刷氮化硼，石墨烯和銀，形成兩個(gè)完全柔性的晶體管。他表示也可以在三維表面上噴涂這些器件。

與此同時(shí)，Thomas Swan&Co.正在研究石墨烯在環(huán)氧樹脂涂料領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)樗哂袑?dǎo)熱性，正在對石墨烯基油墨進(jìn)行原型開發(fā)。 該公司先進(jìn)材料研究負(fù)責(zé)人Dimitris Presvytis表示：“我們于2013年開始研究石墨烯，并一直專注于石墨烯和氮化硼的工業(yè)應(yīng)用。我們對此抱有很高的期望。它可以挖掘出很多潛在的應(yīng)用，甚至是汽車或航空航天領(lǐng)域。”

英國工藝創(chuàng)新中心的石墨烯應(yīng)用中心與工業(yè)界合作，將石墨烯納入涂料，復(fù)合材料，油墨，膜和傳感器。 新業(yè)務(wù)總監(jiān)湯姆·泰勒(Tom Taylor)表示：“石墨烯所宣稱的許多性能可以經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)。”

泰勒表示，CPI可以幫助擴(kuò)大各種電子技術(shù)的工程設(shè)計(jì)。他說:“我們有可供公司、投資者使用的成規(guī)模的試點(diǎn)設(shè)備。商業(yè)模式是，你有了一些現(xiàn)在還沒有準(zhǔn)備去做的新東西。在進(jìn)行融資之前，可以來找我們驗(yàn)證。實(shí)際上僅支付租用設(shè)備的費(fèi)用。這一切都是為了消除創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)。只需要?jiǎng)?chuàng)新者為一天的工作買單，而不是在設(shè)備上花幾百萬英鎊。我們所關(guān)注是石墨烯領(lǐng)域——我們認(rèn)為它會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。”

標(biāo)準(zhǔn)制定

該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)也開始出現(xiàn)。美國石墨烯委員會(huì)執(zhí)行董事Terrance Barken表示他們正在制定石墨烯標(biāo)準(zhǔn)。

Barken 說：“我們認(rèn)為未來將是石墨烯與其他技術(shù)、材料的結(jié)合，而不只是石墨烯本身。我們面臨的挑戰(zhàn)是，如何把這些不相干的各方聚集在一起，加速其發(fā)展進(jìn)程，加速學(xué)界的思想交叉，使實(shí)際應(yīng)用得到盡快的發(fā)展。嚴(yán)格來說，石墨烯是單層碳原子，這是最純粹的形式，實(shí)際上的石墨烯有很多種形式。比如多層石墨烯，可能有三層，四層，五層，六層，七層。不過市場上甚至有一些材料可能是50層或100層的碳被標(biāo)記為石墨烯，當(dāng)然這就顯然不是了。”

所有這些材料都需要有基本的定義。Barken說：“對于工業(yè)應(yīng)用，人們定期使用消耗著材料，這就要求產(chǎn)品可以復(fù)制生產(chǎn)，工業(yè)上通常需要多種供應(yīng)來源。如果你將有不止一個(gè)供應(yīng)來源，而供應(yīng)商需要提供相同的材料，以便在工業(yè)流程中應(yīng)用。因此至少在某種程度上，你需要有一些標(biāo)準(zhǔn)化?，F(xiàn)在ISO標(biāo)準(zhǔn)組織對石墨烯進(jìn)行了定義——包含多達(dá)10層碳的材料可以被認(rèn)為是石墨烯材料。如果它是11層或有更多的碳層，就會(huì)被認(rèn)為是微小的石墨。但這并不意味著超過10層的材料是無用的。這些材料仍然是有用的，但我們不應(yīng)該把它稱為石墨烯，因?yàn)樗皇腔煜耸袌觯⒉痪_。”

結(jié)論

硅材料的發(fā)展勢頭依然強(qiáng)勁，但要將硅擴(kuò)展到一些新市場和新工藝節(jié)點(diǎn)變得越來越困難。對于一些節(jié)點(diǎn)來說，CMOS已經(jīng)走到盡頭了，這在每個(gè)新節(jié)點(diǎn)上都變得更加明顯。

像Lam Research 和 Applied Materials這樣的公司已經(jīng)討論過一段時(shí)間，他們認(rèn)為未來的發(fā)展將取決于新的材料。這為許多包括石墨烯、2D材料和碳納米管在內(nèi)的新選擇打開了大門。其中一些材料本身就可以得到直接應(yīng)用，而另一些將與硅材料結(jié)合，以延長摩爾定律，提高性能、功率和面積，最終遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的水平。