最近,又有一项新闻刷爆各大网站。我国天才科学家曹原,又一次在国际知名科学杂志《自然》上,发表一篇关于石墨烯的论文。意味着我国在石墨烯领域,再次获得突破性的进展。
早在2018年,曹原因为发现当两层石墨烯堆成1.1°时,就会发生超导现象,而成为影响世界的四大科学人物榜首。随后在2020年再次连发两篇论文,介绍魔角石墨烯研究的新突破。这次的再次突破,又一次让世界将目光放在曹原和石墨烯上。
为什么石墨烯能够得到如此大的关注呢?
首先,我们先一起来看看什么是石墨烯。石墨烯是一种二维碳纳米材料,由碳原子组成,它在电子芯片,生物医学,军工等领域,都能够发挥出重要作用,被称为“万能超导材料”,也被认为是行材料之王。
2004年,石墨烯才被科学家发现,单层石墨烯的厚度只有0.355纳米,所以它才被认为是一种二维材料。石墨烯的发现,堪称21世纪最伟大的发现之一,它是已知世界上最薄,最坚硬,导热性和导电性最好的纳米材料,被誉为颠覆未来的一种战略性新材料。甚至有人说,如果20世纪是单晶硅的世纪,那么21世纪就是石墨烯的世纪。
发现它的科学家也因此获得2010年的诺贝尔奖,这种材料对人类此后的科技发展,能够起到重要的作用。而中国在石墨烯领域,已经成功领先世界,这和曹原的努力分不开关系。
如今中国的石墨烯单晶技术已经迎来突破,而这对美国来说,可不是什么好消息。因为这或许将撼动,美国在芯片领域的霸主地位,让中国弯道超车。
为什么这么说呢?众所周知,20世纪是人类科技快速发展的时期,众多高科技产业都兴起于那个时代。而高科技的发展离不开芯片,中国在高科技方面受到的限制,主要就是在芯片方面。
如今我们见到的芯片,都是由硅基材料制成,因此这种芯片也被称为硅基芯片。经过几十年的研究,人类在硅基芯片方面已经取得巨大的进步。但是,根据摩尔定律,硅基芯片的发展有本身的瓶颈。人类现在的芯片研发,已经接近硅基芯片的极限。
芯片中有无数个晶体管,芯片的升级,主要是在相同的尺寸下,增加更多的晶体管。而芯片的实际尺寸是晶体管的栅极宽度,7纳米已经达到栅极宽度的极限。如果继续缩小,电子移动的距离就不够,自然就会出现漏电的现象。栅极越小,这种现象就越严重。如今我们看到的5纳米技术,难点主要就是如何减少漏电的情况。而这种问题越到后面就越严重,同时解决起来也越困难。
使用石墨烯制作而成的碳基芯片,就能解决这个问题。首先石墨烯制造的芯片,处理能力是硅基芯片的1000倍。也就是说,只要能够达到硅基芯片一样的技术,芯片的性能就能提高1000倍。此外,石墨烯还有高导电性的特点,不仅比硅基芯片更稳定,而且漏电的问题也更容易解决。
目前,我国碳基芯片的研究,已经取得令人骄傲的成果。碳基芯片的制造技术,已经完全领先全球。2020年,在上海举办的国际石墨烯创新大会上,中科院展示了我国碳基芯片的成果,一块8英寸石墨烯单晶晶圆。无论是在尺寸还是性能上,都领先于世界其它国家。而且这款产品已经能够小批量生产,这对美国来说是一个巨大的打击。
目前来说,美国对我国的硅基芯片技术,正进行牢牢的封锁,让我国在这方面的进展缓慢,在这个阶段完成碳基芯片的突破,说明我们可能完成弯道超车,此后不再依赖硅基芯片。这当然就动摇了,美国在芯片方面的霸主地位。
目前,我国已经成功研制出,仅有5纳米的碳晶体管。这是目前世界上,最小的高性能晶体管,同时,经过全新的提纯和自组装方式,我们已经能研制出,更高密度和高纯度的半导体阵列的碳纳米管材料。让我们在高性能碳基芯片的研究上,又再次向前走了一大步。
如今,我国申请的石墨烯产品专利,总数已经遥遥领先世界各国。石墨烯的年产量超过300吨,稳定的产量,能够更好地满足我国发展的需求,或许将加快我国碳基芯片的研究。
石墨烯技术上的领先,将给我国带来产业上的领先。石墨烯的应用十分广泛,除了前面提到的高科技行业,在稍微下游的产品和领域中,也有巨大的作用。根据专家预测,到2024年后,石墨烯器件有望代替,互补金属氧化物半导体器件。在纳米电子器件,光电化学电池,超轻型飞机材料等领域得到应用。甚至服装,保暖产品,手机,防弹衣,电池等等,都能使用到石墨烯。
而我国在这方面领域的应用,已经取得很好的成绩。随着技术的进步和商业化的应用加速,石墨烯有着巨大的市场前景。在十三五规划期间,我国就已经打算将石墨烯,打造成我国的先导性产业。
2015年时,就已经对石墨烯产业未来十年的发展,做出极为明确的规划。目标是在2020年形成百亿的产业规模,到2025年整体的产业规模突破千亿。这还仅仅是在中国的石墨烯产业。
国际上,各国也纷纷花重金,投入到石墨烯产业中。2013年,欧盟就将石墨烯,列为未来新兴技术的支柱材料,并拿出10亿欧元进行研究。美国国家自然科学基金会,也资助了超过500项石墨烯的研究,都希望在石墨烯技术上先人一步,率先打造石墨烯产业。
2015年,全球石墨烯产业规模,已经达到1000亿以上,而中国遥遥领先。如今的产业规模进一步扩大,中国依旧在这方面领先。这对中国来说是一个全新的机会,不仅仅是抢占全球市场,同时还是中国科技,占领世界高地的一个机会。一个多世纪以来,中国从远远落后于人,到站在世界前列,期间有着无数被卡脖子,然后靠自主研发突破封锁的经历,中国现代的发展史,就是一部心酸的追赶史,而这一切可能在21世纪改变。