中國製造2025系列M之一：新一代電子信息產業

2018-10-20

製造業是實體經濟的主體，是國民經濟的脊樑，是國家安全和人民幸福安康的物質基礎，是我國經濟實現創新驅動、轉型升級的主戰場。世界銀行統計數據顯示，2010 年以來，我國製造業增加值連續五年超過美國，成為製造大國，一些優勢領域已達到或接近世界先進水平。然而，與發達國家相比，我國製造業創新能力、整體素質和競爭力仍有明顯差距，大而不強。因此，實現從製造大國向製造強國的轉變，是新時期我國製造業應著力實現的重大戰略目標。

為了推進這一歷史性的轉變，國務院組織編製並於 2015 年 5 月 8 日正式發布了《中國製造 2025》，對我國製造業轉型升級和跨越發展作了整體部署，提出了我國製造業由大變強「三步走」戰略目標，明確了建設製造強國的戰略任務和重點，是我國實施製造強國戰略的第一個十年行動綱領。製造業覆蓋面很廣，為了確保用十年的時間，到 2025 年，邁入製造強國行列，必須堅持整體推進、重點突破。《中國製造 2025》圍繞經濟社會發展和國家安全重大需求，選擇 10 大優勢和戰略產業作為突破點，力爭到 2025 年達到國際領先地位或國際先進水平。十大重點領域是：新一代信息技術產業、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農業機械裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械。接下來這個系列，將以石墨烯應用技術與十大重點領域做個結合，一一來論證石墨烯如果懂得如何去運用，的確會引發一場新的材料革命！

《中國製造 2025》產業分類

先從石墨烯來說起吧，這個導電、導熱、機械、光學、潤滑等性能都是目前最好使的材料，唯一的短板在「零帶隙」。過去，將石墨烯打開帶隙的方法大致分為兩大類：一類是直接破壞本徵石墨烯的晶格或化學結構，從而影響其電子性質來打開帶隙，屬於這一類型的方法包括摻雜、吸附原子、引入周期性缺陷、引入限制等。另一類則不直接破壞石墨烯的六邊形晶格結構，而是通過引入外場、襯底等影響破壞石墨烯的對稱性，從而打開帶隙。除此之外，利用自旋軌道耦合效應、外加應力、以及考慮石墨烯本徵的電子多體效應，也具有打開帶隙的潛力。最近，科學家將石墨烯如同三明治一般夾在兩層原子級薄度的電氣絕緣體氮化硼 (BN) 之間的時候，兩種材料旋轉對齊，BN 已經被證明能夠改變石墨烯的電子結構，創造出帶隙，讓材料像半導體一樣工作。這還是屬於第二類。

宮非：高大上系列L之二：科學家發現調控石墨烯的帶隙新方法?

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石墨烯的碳原子呈六角形蜂巢晶格狀分布，有兩種常見的雙層堆垛方式：一是 AA 堆垛，即上下兩層緊密重合；二是 AB 堆垛，即上下兩層之間存在一個碳原子的距離，這兩種堆垛方式目前已成功實現。如果加上外電場，AB 堆垛雙層石墨烯便會成為半導體。相較之下，三層堆垛很難實現。但日本科研人員用兩種特殊方法加熱碳化硅，終於成功製備出了兩個三層石墨烯樣品。科研人員將碳化硅在加壓氬氣和高真空中分別加熱到 1,510℃ 和 1,300℃，再噴上氫氣。氫氣中的氫鍵破裂，形成單層氫原子，最後結合形成三層石墨烯。在加壓氬氣中加熱的碳化硅呈 ABA 堆垛，即上下兩層重合，中間層錯開。而在真空下加熱的碳化硅則呈 ABC 堆垛，即每層稍微錯開。研究人員在檢測兩個石墨烯樣本的物理性質時，發現兩者的導電性是不同的。ABA 堆垛的樣品和單層石墨烯相似，都是極佳的導電體。而 ABC 堆垛的性質更接近於 AB 堆垛雙層，具有半導體特性。這也啟示更多研究者可以通過層間堆垛或修飾來改變石墨烯特性。

既然石墨烯那麼好使，為何大家還是做不出好的石墨烯產品呢？除了之前是石墨烯昂貴以外，最大的制約是低估了石墨烯技術成功的關鍵還是在：機理、分散及二次加工！簡單地說，根據機理找到對的石墨烯只是成功的一小步，後面怎麼通過分散及二次加工的考驗，最後能達到高性價比，那才是真本事！我們可以從上面提到不同堆垛的石墨烯，或成為導體或半導體，那是否可以解讀成：根據「開發需求」來製備「匹配的」石墨烯，就能打開石墨烯產業化的任督二脈。但要做到這點是個很高的門檻，首先，你得有足夠多的石墨烯品類；其次，你得具備修飾及客制化的技術；最後，你還得懂得二次加工在設備及工藝上的技巧，這也是科研成果轉化難的最大原因。太少人才能既懂學理、又懂加工工藝，而且還得懂得如何把「產品需求」轉換成「技術規範」。既然一個人做不來，能做的技術又多，所以形成產學研用平台來合作，是勢在必行的工作！

雖然難，但還是得做；今日不做、明天你就會後悔！第一篇我們來談下電子信息與石墨烯有什麼火花？什麼是電子信息，電子信息又包括哪些技術？電子信息工程是一門應用計算機等現代化技術，進行電子信息控制和信息處理的學科，主要研究信息的獲取與處理，電子設備與信息系統的設計、開發、應用和集成。電子信息產業具體細分為投資類產品、消費類產品及元器件產品，而元器件產品涵蓋電、光、熱、磁及所延伸的光電、電磁、聲頻、感測、半導體及成像等器件。至於電子信息產業的市場也更為細分，除了 PC、智能手機、家電、工控等基礎領域外，汽車電子、醫療電子、軍工領域等細分市場也逐步成為民營電子信息企業的範疇。就拿我們準備與國內 ICT 大廠合作推動的石墨烯柔性手機項目為例，我們把整個項目區分為柔性屏、柔性電池及柔性主板三個子系統。柔性屏又可細分為：透明導電膜、OLED；而柔性電池屬意發展固態薄膜電池，細節在新能源那篇再來探討；至於柔性主板涉及更廣了，包括：主、被動元件、存儲器、喇叭、鏡頭、晶體管、感測器、RF 射頻晶元等。

下面就用幾種電子信息產品來說明如何運用石墨烯來做到高大上技術。目前，石墨烯高頻電路已經完成柵長 240nm、截止頻率高達 100GHz，性能超過同樣溝道長度的硅基 MOSFET 的截止頻率。但由於目前配套技術和製造成本問題尚未投入實用，但市場預測石墨烯高頻電路全面取代現有集成電路應不超過3年的時間。其次，清華大學任天令課題組使用化學氣相沉積法製備雙層石墨烯，利用金屬鋁與石墨烯界面形成自然氧化層 AlnOn 作為阻變層。通過施加柵電壓，可以打開雙層石墨烯的帶隙，使電場穿透石墨烯進而調控 AlnOn 中氧離子的濃度，從而實現存儲窗口可調之阻變存儲器。另外，我們與新竹清華合作開發的晶體管、放大器、倍頻器、混頻器等光電器件已經可少量生產了。你說，新一代電子信息與石墨烯的大結合時代還會遠嗎？