中国制造2025系列M之一：新一代电子信息产业

2018-10-20

制造业是实体经济的主体，是国民经济的脊梁，是国家安全和人民幸福安康的物质基础，是我国经济实现创新驱动、转型升级的主战场。世界银行统计数据显示，2010 年以来，我国制造业增加值连续五年超过美国，成为制造大国，一些优势领域已达到或接近世界先进水平。然而，与发达国家相比，我国制造业创新能力、整体素质和竞争力仍有明显差距，大而不强。因此，实现从制造大国向制造强国的转变，是新时期我国制造业应著力实现的重大战略目标。

为了推进这一历史性的转变，国务院组织编制并于 2015 年 5 月 8 日正式发布了《中国制造 2025》，对我国制造业转型升级和跨越发展作了整体部署，提出了我国制造业由大变强「三步走」战略目标，明确了建设制造强国的战略任务和重点，是我国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领。制造业覆盖面很广，为了确保用十年的时间，到 2025 年，迈入制造强国行列，必须坚持整体推进、重点突破。《中国制造 2025》围绕经济社会发展和国家安全重大需求，选择 10 大优势和战略产业作为突破点，力争到 2025 年达到国际领先地位或国际先进水平。十大重点领域是：新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农业机械装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械。接下来这个系列，将以石墨烯应用技术与十大重点领域做个结合，一一来论证石墨烯如果懂得如何去运用，的确会引发一场新的材料革命！

《中国制造 2025》产业分类

先从石墨烯来说起吧，这个导电、导热、机械、光学、润滑等性能都是目前最好使的材料，唯一的短板在「零带隙」。过去，将石墨烯打开带隙的方法大致分为两大类：一类是直接破坏本征石墨烯的晶格或化学结构，从而影响其电子性质来打开带隙，属于这一类型的方法包括掺杂、吸附原子、引入周期性缺陷、引入限制等。另一类则不直接破坏石墨烯的六边形晶格结构，而是通过引入外场、衬底等影响破坏石墨烯的对称性，从而打开带隙。除此之外，利用自旋轨道耦合效应、外加应力、以及考虑石墨烯本征的电子多体效应，也具有打开带隙的潜力。最近，科学家将石墨烯如同三明治一般夹在两层原子级薄度的电气绝缘体氮化硼 (BN) 之间的时候，两种材料旋转对齐，BN 已经被证明能够改变石墨烯的电子结构，创造出带隙，让材料像半导体一样工作。这还是属于第二类。

宫非：高大上系列L之二：科学家发现调控石墨烯的带隙新方法?

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石墨烯的碳原子呈六角形蜂巢晶格状分布，有两种常见的双层堆垛方式：一是 AA 堆垛，即上下两层紧密重合；二是 AB 堆垛，即上下两层之间存在一个碳原子的距离，这两种堆垛方式目前已成功实现。如果加上外电场，AB 堆垛双层石墨烯便会成为半导体。相较之下，三层堆垛很难实现。但日本科研人员用两种特殊方法加热碳化硅，终于成功制备出了两个三层石墨烯样品。科研人员将碳化硅在加压氩气和高真空中分别加热到 1,510℃ 和 1,300℃，再喷上氢气。氢气中的氢键破裂，形成单层氢原子，最后结合形成三层石墨烯。在加压氩气中加热的碳化硅呈 ABA 堆垛，即上下两层重合，中间层错开。而在真空下加热的碳化硅则呈 ABC 堆垛，即每层稍微错开。研究人员在检测两个石墨烯样本的物理性质时，发现两者的导电性是不同的。ABA 堆垛的样品和单层石墨烯相似，都是极佳的导电体。而 ABC 堆垛的性质更接近于 AB 堆垛双层，具有半导体特性。这也启示更多研究者可以通过层间堆垛或修饰来改变石墨烯特性。

既然石墨烯那么好使，为何大家还是做不出好的石墨烯产品呢？除了之前是石墨烯昂贵以外，最大的制约是低估了石墨烯技术成功的关键还是在：机理、分散及二次加工！简单地说，根据机理找到对的石墨烯只是成功的一小步，后面怎么通过分散及二次加工的考验，最后能达到高性价比，那才是真本事！我们可以从上面提到不同堆垛的石墨烯，或成为导体或半导体，那是否可以解读成：根据「开发需求」来制备「匹配的」石墨烯，就能打开石墨烯产业化的任督二脉。但要做到这点是个很高的门槛，首先，你得有足够多的石墨烯品类；其次，你得具备修饰及客制化的技术；最后，你还得懂得二次加工在设备及工艺上的技巧，这也是科研成果转化难的最大原因。太少人才能既懂学理、又懂加工工艺，而且还得懂得如何把「产品需求」转换成「技术规范」。既然一个人做不来，能做的技术又多，所以形成产学研用平台来合作，是势在必行的工作！

虽然难，但还是得做；今日不做、明天你就会后悔！第一篇我们来谈下电子信息与石墨烯有什么火花？什么是电子信息，电子信息又包括哪些技术？电子信息工程是一门应用计算机等现代化技术，进行电子信息控制和信息处理的学科，主要研究信息的获取与处理，电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成。电子信息产业具体细分为投资类产品、消费类产品及元器件产品，而元器件产品涵盖电、光、热、磁及所延伸的光电、电磁、声频、感测、半导体及成像等器件。至于电子信息产业的市场也更为细分，除了 PC、智能手机、家电、工控等基础领域外，汽车电子、医疗电子、军工领域等细分市场也逐步成为民营电子信息企业的范畴。就拿我们准备与国内 ICT 大厂合作推动的石墨烯柔性手机项目为例，我们把整个项目区分为柔性屏、柔性电池及柔性主板三个子系统。柔性屏又可细分为：透明导电膜、OLED；而柔性电池属意发展固态薄膜电池，细节在新能源那篇再来探讨；至于柔性主板涉及更广了，包括：主、被动元件、存储器、喇叭、镜头、晶体管、感测器、RF 射频晶元等。

下面就用几种电子信息产品来说明如何运用石墨烯来做到高大上技术。目前，石墨烯高频电路已经完成栅长 240nm、截止频率高达 100GHz，性能超过同样沟道长度的硅基 MOSFET 的截止频率。但由于目前配套技术和制造成本问题尚未投入实用，但市场预测石墨烯高频电路全面取代现有集成电路应不超过3年的时间。其次，清华大学任天令课题组使用化学气相沉积法制备双层石墨烯，利用金属铝与石墨烯界面形成自然氧化层 AlnOn 作为阻变层。通过施加栅电压，可以打开双层石墨烯的带隙，使电场穿透石墨烯进而调控 AlnOn 中氧离子的浓度，从而实现存储窗口可调之阻变存储器。另外，我们与新竹清华合作开发的晶体管、放大器、倍频器、混频器等光电器件已经可少量生产了。你说，新一代电子信息与石墨烯的大结合时代还会远吗？