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石墨烯在高频领域的研究现状及发展趋势 --ALD又一应用
分类:行业新闻  3555次浏览  发表时间:2016-3-8 08:52:24

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2015年10月,习近平主席参观了英国曼彻斯特大学的国家石墨烯研究所院,石墨烯引起了社会各界更多的关注。其实在石墨烯产业层面,这已经不是习近平主席第一次关注石墨烯,早在2014年底,习近平在南京考察江苏省产业技术研究院时,曾拿起石墨烯气体阻隔膜,了解产品性能、市场应用、产业前景等。

自2004年石墨烯在实验室被正式制备以来,石墨烯已进入快速发展期,其相关产品的应用普及将伴随着石墨烯生产能力的提高和材料技术换代升级而逐步实现。如今,对于石墨烯的研究正在全世界展开,未来,随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐也将加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域很可能会是移动设备、航空航天和新能源电池领域

目前,华为已宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯的应用,研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用于消费电子产品和移动通信设备。微波射频网自创办以来一直在关注石墨烯在高频领域的研究进展,今天我们就来谈谈石墨烯在高频领域的应用前景及最新研究进展

石墨烯的高频电子特性


石墨烯的发现者可能未曾预料到它的研发会有如此迅猛的突破。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·K·海姆(Andre.K.Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya.Novoselov)通过简单的“机械剥离法”, 利用“胶带”从石墨表面“撕”出单层的石墨--石墨烯。2010年诺贝尔物理学奖授予了这两位物理学家,以表彰他们对石墨烯的研究。

石墨烯具有完美的二维晶体结构,它的晶格是由六个碳原子围成的六边形,厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接,结合方式为sp2杂化,这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍,甚至还要超过钻石。在石墨烯中,每个碳原子都有一个未成键的p电子,这些p电子可以在晶体中自由移动,且运动速度高达光速的1/300,赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6Ω·cm,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料

基于以上信息,石墨烯具有远比硅高的载流子迁移率,是一种性能非常优异的半导体材料,有望成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。

材料

热导率(W/cmK)

电子迁移率(cm2/Vs)

饱和电子漂移速度(×107cm/s)

Si

1.5

1200

1.0

InP

0.68

4600


SiC

4.9

600

2.0

GaN

1.5

1500

2.7

Graphene

50

200000

10

几款高频材料电子特性对比图

石墨烯具有极高的载流子迁移率,可用于制作高响应速度的射频器件。射频晶体管的重要参数之一是截止频率,一般可通过缩小沟道长度来提高。目前实验上石墨烯场效应管的沟道长度最小已做到40nm,得到最大截止频率为300GHz。电子在石墨烯中的运行速度能够达到光速的 1/300,要比在其他介质中的运行速度高很多,而且只会产生很少的热量。石墨烯的这些特性尤其适合于高频电路,使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到 1THz(即1000GHz)。

石墨烯是替代硅的理想材料


相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能,通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴。随着Intel等IC设计公司在IPC上已经相继遭遇紧瓶,提升主频已经是成为了提升CPU性能的不二之选。硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。

但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯的载流子迁移率在室温下可达硅的10倍以上,在实验室环境下最高可达100倍,饱和速度是硅的5倍,电子运动速度达到了光速的1/300。同时具有非常好的导热性能,芯片的主频可以达到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极高的工作频率和极小的尺寸,而且石墨烯芯片制造可与硅工艺兼容,是硅的理想替代材料--在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随着技术发展,进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还拥有更低的功耗。

石墨烯在通信领域的应用


通信产品里有大量芯片,基站设备的DSP,路由器、调制解调器、交换机、手机等产品都需要芯片,而性能更强的芯片也就意味着更强的数据处理能力,意味着更快的通讯速度。举例来说,目前主流的4G系统基站虽然已经采用了负责基带处理的BBU+负责射频的RRU通过光纤拉远的架构,但由于机房站址资源日益稀缺和高成本,将BBU集中设置以节省机房的需求越来越强烈,同时也要求对基带资源共享、集中调度等功能的实现。由于基带信号对带宽和各项处理资源的消耗很大,现有芯片和背板处理速度根本无法实现更大规模的基带资源集中调度和共享,同时在散热、功耗等方面也面临很大挑战。

若采用石墨烯材料,不但芯片处理能力、数据交换速率能得到大幅提升,石墨烯良好的导热、导电和耐温特性也使得在散热、功耗方面的要求降低,进而实现处理能力达到上万载频的集中式基带资源池。

石墨烯也可以作为天线的材料。美国佐治亚理工学院无线宽带网络实验室提出石墨烯无线天线构想,该构想中,由石墨烯制成的天线以1000GHz的频率正常工作,远超目前常规的天线。如果这个构想成为现实,那么就意味着更多高频段的频谱资源可以被开发出来用于未来的无线通信系统,从而提供更大的系统带宽和吞吐速率。

石墨烯毫米波器件军事领域的应用


石墨烯由于其特有的高迁移率、良好的噪声性能等,在低噪声放大应用中具有很大优势,能广泛的应用于W波段以及以上波段的毫米波单片集成电路(MMIC)和低噪声放大器等电路中,在毫米波、亚毫米波乃至太赫兹器件等方面具有重大的应用前景。



半导体材料在微波毫米波器件的应用频段

基于石墨烯沟道的超高速、超低噪声、超低功耗的场效应晶体管及其集成电路,可望突破当前高频电子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶颈,为开发新型高分辨成像技术、高性能雷达系统、高频宽带通信技术、超级计算机技术提供新的思路和解决方案。

专家预测石墨烯的研究成果将对高端军用系统的创新发展产生难以估量的冲击力,包括毫米波精密成像系统、毫米波超宽带通信系统、雷达及电子战系统等。这些系统应用于军事装备,可以大大提高军队在3mm波段的电子对抗、通信、雷达系统的水平,实现信息化和自动化的新的跨越。

国外研究现状及发展趋势


自2004年英国曼彻斯特大学的两位物理学家首次制备出石墨烯以来,石墨烯受到全世界科学家的广泛关注,许多发达国家都对石墨烯的研究投入了大量的人力和财力。

美国

美国近年来对石墨烯的经费投入非常巨大,大大推动了他们在该方面的科学进展。已经把石墨烯定位于最可能取代Si材料的下一代半导体材料,军方、企业界、大学都花了很大的人力、财力、物力进行石墨烯材料和器件的研究。DAPRA统筹规划,从石墨烯材料制备、器件工艺、电路等方向齐头并进,并已经制作出W波段的低噪声放大器。

美国国防部高级研究计划署(DARPA)2008年7月发布了碳电子射频应用项目(总资2 200万美元),主要开发超高速和超低能量应用的石墨烯基射频电路,即用石墨烯制造电脑芯片和晶体管。该项目的最终目标(2012年9月结题之前)是完成石墨烯晶体管的高性能(>10 000 cm2 Vs-1霍耳迁移率)、W波段(>90 GHz)低噪声放大器的实证研究,以及使200 mm晶圆的产量>90%,使它们具有成本效益。

美国国家科学基金会(NSF)2009年5月发布了石墨烯基材料超电容应用项目,主要研究内容包括:(1)开发石墨烯基电子材料,提高超级电容器性能,使其具有较高的能量和功率密度;(2)表征石墨烯基电子材料的形态、结构和性能特征;(3)加强对石墨烯基超级电容器中电化学双层和决定其性能因素的基本认识;(4)调查离子液体作为石墨烯基超级电容器电解液的相容性;(5)开发新型超级电容器电池组装工艺和电池测试方法。项目研发经费为63.4万美元,研究周期为2009年7月1日至2012年7月30日,由得州大学奥斯汀分校具体负责研究和实施。

美国结构材料工业公司(SMI)2009年11月宣布,获得NSF的小型企业技术转移项目(STTR)一期资助,用于开发以石墨烯为基质的高灵敏度NOx探测器。其合作方为康奈尔大学、南卡罗来纳大学,分别提供石墨烯薄膜生长技术和气体探测器表征技术。

2008年3月:IBM沃森研究中心的科学家在世界上率先制成了基于SiC衬底的低噪声石墨烯晶体管。普通的纳米器件随着尺寸的减小,被称做1/f的噪音会越来越明显,使器件信噪比恶化。这种现象就是“豪格规则(Hooge's law)”,石墨烯、碳纳米管以及硅材料都会产生该现象。因此,如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM通过重叠两层石墨烯,试制成功了晶体管。由于两层石墨烯之间生成了强电子结合,从而控制了1/f噪音。IBM华裔研究人员林育明的该发现证明,两层石墨烯有望应用于各种各样的领域。

IBM采用双层石墨烯结构降低器件噪声

2009年5月,美国HRL实验室称在高质量2英寸石墨烯薄膜及其射频场效应晶体管方面取得了突破,下图显示了器件的结构和电子输运特性。HRL资深科学家Jeong-Sun Moon表示,该器件拥有全球最高的场迁移率,约6000cm2/Vs,是现阶段最先进硅基n-MOSFET的6-8倍。他们使用Aixtron的VP508 CVD反应设备,通过从6H-SiC晶体中升华硅的方法,成功制成了石墨烯薄膜。之后使用标准的光刻胶工艺和氧反应离子刻蚀技术制备了晶体管。

HRL实验室在2英寸石墨烯薄膜上的射频场效应晶体管

在2010年2月出版的《Science》杂志上,IBM的研究人员展示了一种由SiC单晶衬底上生长石墨烯材料制作而成的场效应晶体管(FET),其截止频率可达100 GHz,这是运行速度最快的射频石墨烯晶体管。这一成就是美国国防部高级研究计划局(DARPA)“碳电子射频应用项目” (CERA)取得的重大进展,为研发下一代通信设备铺平了道路。研究人员通过使用与现行的先进硅器件制造技术相兼容的加工技术制成了晶圆规模、外延生长的石墨烯,从而达成了此高频记录。

2010年6月,石墨烯FET突破上次记录。来自IBM公司的Ph.Avouris, 林育明等人运用SiC高温升华法,把2英寸4H-SiC Si面衬底在1450℃下高温退火,制得大部分由单层石墨烯覆盖的2英寸片。经氧等离子体刻蚀形成沟道区,热蒸发源漏金属电极,ALD方法制备栅电介质,最终制备出栅长为90nm,截止频率fT达到170GHz的FET器件。

2011年6月10日,IBM 的研究人员在《Science》上发表了晶圆级石墨烯集成电路的最新结果,将石墨烯场效应晶体管和电感单片集成在SiC衬底上,研制出最高可工作到10GHz的宽带混频器集成电路,如下图所示。

IBM最新研制的石墨烯混频器照片

2013年由Roman Sordan领导的来自米兰理工大学 (Politecnico di Milano) 和伊利诺伊大学Eric Pop 学院(Eric Pop of the University of Illinois) 的小组称他们制作出了第一个集成石墨烯振荡器,并可在1.28 GHz下运行。和传统的硅CMOS装置及早期的二维材料装置相比,这种振荡器对电源电压的波动更加不敏感。研究小组称,这种环形振荡器是实现全石墨烯微波电路道路上重要的一步。该研究成果发表在 ACS Nano上。

2014年美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员公布了一项研究成果:用石墨烯制作的天线非常适于利用频率在0.1THz到10THz之间的电磁波,即“太赫兹波”的无线通信。于是,制作用一般金属天线无法实现的约1μm长太赫兹无线模块就有了实现的可能。

IBM于2014年初又取得了一项里程碑式的技术突破,利用主流硅CMOS工艺制作了世界上首个多级石墨烯射频接收器,并进行了文本信息收发测试,结果表明,它的性能比以往的石墨烯集成电路好1000倍,达到了与硅技术的现代无线通信能力相媲美的程度。研究发表在2014年出版的《自然通讯》(Nature Communications)上。

欧洲

欧盟FP7框架计划2008年1月发布了石墨烯基纳米电子器件项目。该项目为FP7的联合研究项目,主要研究“超越CMOS”(Beyond CMOS)领域的技术,参加机构包括德国AMO有限公司、意大利大学纳米电子研究组(IUNET)、英国剑桥大学半导体物理组(UCAM DPHYS)、法国原子能机构(CEA)的LETI和法国STMicroelectronics SAS、爱尔兰科克大学(University College Cork)的Tyndall纳米研究所等组成。项目经费为239万欧元,研究周期为2008年1月1日至2010年12月31日。

欧洲研究理事会(ERC)资助了石墨烯物理性能和应用研究项目。项目研究经费为177.5万欧元,研究周期为3年,负责机构为英国曼彻斯特大学物理与天文学院。该项目有三个主要方向:(1)重点研究石墨烯薄膜和独特的一维性能;(2)模拟无质量相对论粒子的石墨烯电荷载体;(3)石墨烯晶体管的应用研究。欧洲科学基金会(ESF)2008年12月发布了扩大石墨烯研究在科学和创新方面的影响力的基金申请项目,即欧洲石墨烯项目(EuroGRAPHENE),共有19个国家的20个基金资助机构参与该项目的资助。欧洲石墨烯项目是一个4年期的研究计划,需要欧洲范围内广泛而有深度的合作。该项目主要研究领域包括石墨烯物理性能、机械和电子-机械性能、化学修饰,以及寻找设计石墨烯电子特性的新方法和制备以石墨烯为基础的功能应用器件。

德国科学基金会(DFG)于2009年7月宣布开展石墨烯新兴前沿研究项目,项目时间跨度为6年。该项目的目标是提高对石墨烯性能的理解和操控,以建立新型的石墨烯基电子产品。基金资助领域主要包括:石墨烯基电子设备的制备;石墨烯电子、结构、机械、振动等性能表征与操控;石墨烯纳米结构制备和表征及性能操控;石墨烯与衬底材料、栅极材料相互作用的理解和控制;输运研究(如声子和电子传输、量子传输、弹道输运、自旋输运)、新型装置示范(如场效应器件、等离子器件、单电子晶体管)以及石墨烯的理论研究(如石墨烯电子和原子结构、电子声子运输、自旋、石墨烯机械和振动性能、纳米结构、器件模拟)等。

英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)资助了石墨烯基自旋器件模拟项目,项目承担机构为兰卡斯特大学,项目研究时间跨度为2010年1月1日至2012年12月31日,资助额度为4.9万英镑。EPSRC还资助了石墨烯基晶体管传输模拟项目,项目承担机构也为兰卡斯特大学,时间跨度为2007年10月23日至2010年8月22日,资助额度为19.8万英镑。2014年10月 英国财政大臣奥斯本宣布英国将投资6000万英镑在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心(GEIC),打造新的尖端石墨烯研究设施,以开发和维持英国在石墨烯及有关2-D材料方面的世界领先地位。

2014年欧盟未来新兴技术(FET)石墨烯旗舰计划发布了首份招标公告和科技路线图,介绍了拟资助的研究课题和支持课题,以及根据领域划分的工作任务,每项课题都涉及多项工作任务。根据路线图,石墨烯旗舰计划将分两阶段进行:初始热身阶段(2013年10月1日至2016年3月31日,共资助5400万欧元)和稳定阶段(2016年4月开始,预计每年资助5000万欧元)。主要研究课题包括:面向射频应用的无源组件、GRM与半导体器件的集成、高频电子学、柔性电子学、硅光子学的集成、光电子学。

部分研究进展

2009年:意大利的科研人员成功地用石墨烯制造了首枚包含两个晶体管的集成电路,它拥有简单的计算能力,标制着碳基电子学时代的到来。这枚只有两个晶体管的集成电路虽然很小,却是向制造碳基高性能电子器件迈出的重要一步。

2012年1月:瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers Universityof Technology)宣布利用一个石墨烯晶体管(GFET)便制造出了用于微波用途的次谐波混频器。次谐波混频器是从RF信号直接输出基带信号(直接转换方式)或者输出低IF(中频)信号(低IF方式)的常用混频电路之一。LO的频率为fLO、RF信号的频率为fRF时,被输出的IF信号的频率为|fRF-2fLO|。此次制造的次谐波混频器在fRF为2GHz、fLO为1.01GHz时,输出|fRF-2fLO|=20MHz的IF信号。

2014年2月:由欧盟第七研发框架计划(FP7)提供全额资助、瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)伽里.基纳瑞(Jari KINARET)教授领导的欧洲AUTOSUPERCAP研发团队,利用最新的石墨烯(Graphene)材料技术制作出创新型的大功率超级电容器(Supercapacitors)。

2015年5月:英国曼彻斯特大学的科学家们宣布已经找到一种利用石墨烯打印出天线的方法。利用压缩石墨烯墨水打印出的天线不仅灵活、环保、价格低廉,还可大批量生产,能够应用在射频识别(RFID)标签和无线传感器上。该成果发表在最近一期《应用物理快报》上。

2015年11月:德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫(HZDR)研究中心的科学家通过在SiC上一个微小的片状石墨烯加上天线,开发出一种新的光学探测器。据称,这种新型探测器可以迅速的反射所有不同波长的入射光,并可在室温下工作。这是单个检测器首次实现监测光谱范围从可见光到红外辐射,并一直到太赫兹辐射。

日本

日本学术振兴机构(JST)2007年就开始了对石墨烯硅材料/器件的技术开发项目的资助。该项目的负责机构为日本东北大学。该项目主要是开发“石墨烯硅”材料/工艺技术,并在此基础上开发先进的辅助开关器件(CGOS)和等离子共振赫兹器件(PRGOS)。这项研究将能实现电荷传输无时间、超高速、大规模集成的器件技术。

2008年6月日本东北大学电通信所末光真希教授将SiC在真空条件下加热至1000多度,除去硅而余下碳,通过自组形式形成单层石墨烯。末光教授的团队通过控制SiC形成时的结晶方向和Si衬底切割的结晶方向,得到了100×150平方微米面积的两层石墨膜,其晶格畸变率仅为1.7%。其他科研团队利用传统方法的晶格畸变率为20%,因而不能制成可实际应用的器件。

国内研究现状及发展趋势


中国是目前石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。数据显示,在所有国家中,中国申请的石墨烯专利数量最多,已超过2200项,占全世界的1/3。2013年工信部发布的 《新材料产业“十二五”发展规划》中的前沿新材料中就包含石墨烯。国家自然科学基金委资助了大量有关石墨烯的基础研究项目,国家科技重大专项、国家973计划也部署了一批重大项目。各级政府对石墨烯表现出极大的兴趣,已经初步形成了政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的官产学研合作对接机制。

在高频领域主要研究进展

2011年5月消息:中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室常凯研究员和博士生吴振华、浙师大翟峰教授等合作者,研究发现,在存在应力时,石墨烯中的电子以某些特定的入射角入射到应力区界面时,处于相反谷中的电子可以分别完美隧穿通过应力区或被应力区完全反射,这一现象类比自然光以布儒斯特角入射到电介质界面时得到线偏振光的过程。该研究成果发表在国际著名物理学期刊《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett., 106, 176802 (2011))。该项研究对于构建石墨烯谷电子学器件具有重要意义。

2011年8月消息: 中国科学院微电子研究所微波器件与集成电路研究室(四室)石墨烯研究小组成员(麻芃、郭建楠、潘洪亮)在金智研究员和刘新宇研究员的带领下,分别在采用微机械剥离方法、SiC外延生长法和化学气相淀积(CVD)法生长出的新型石墨烯材料上,成功研制出高性能的石墨烯电子器件。

2012年9月消息:湖南大学物理与微电子科学学院张晗教授和文双春教授领导的中国石墨烯光子学研究团队首次实验证明了石墨烯除了其众所周知的光饱和吸收性之外,还具有微波和太赫兹饱和吸收性。这些研究成果已发表在2012期光学快报(“石墨烯的微波和光饱和吸收”)。

该团队还发现通过以0.8GHz的频率间隔从96GHz不断的调节微波频率直到100GHz(调制深度为4.58%至12.77%),石墨烯的微波饱和吸收性就会被证实。通过对相同样品进行的Z-扫描测量,石墨烯的光饱和吸收性质也会得到确认。

100GHz微波产生装置和石墨烯中波饱和吸收特性分析系统装置

2013年消息:北京大学凝聚态物理与材料物理研究所吕劲课题组通过第一性原理的量子输运模拟发现,亚10纳米石墨烯晶体管截止频率依然随沟道长度减小而反比增大,因此可以通过连续缩小石墨烯晶体管的沟道长度提高截止频率,最高可达几十太赫兹。如果设法打开石墨烯能隙,石墨烯晶体管输出特性曲线会出现非常明显的电流饱和性质,这将大大提高石墨烯射频场效应管的电压赢得和最大震荡频率(射频器件性能表现的另外两个重要参数),同时太赫兹以上的截止频率依然能得到保持。该研究为把石墨烯射频场效应器件表演推向极限提供了理论指导。研究成果发表在自然出版集团新刊《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:中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米中心研究人员与安徽大学合作,利用水热的方法制备了三维结构的还原石墨烯/α-Fe2O3复合水凝胶,首次发现三维结构的石墨烯基复合材料有着优异的微波吸收性能。在频率为7.12千兆赫兹时,复合水凝胶达到最低反射损耗-33.5 dB; 在厚度仅为3毫米时达到最宽的低于-10dB(90%的电磁波被吸收)的吸收带宽-6.4千兆赫兹(从10.8到17.2千兆赫兹)。相关研究成果已发表在国际核心期刊《材料化学A》上(J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 8547)。

2014年消息:西安电子科技大学电子工程学院吴边副教授通过化学气相沉积法制备了多层大尺寸透明石墨烯薄膜,通过堆叠多层石墨烯薄膜和透明石英基片的方法实现了宽带的Fabry-Perot谐振,然后将透明合成材料贴附在金属表面实现宽带吸波,最终利用毫米波反射测量验证了该石墨烯透明吸波器在125-165GHz范围内吸收率达到90%以上。这一成果是吴边副教授在伦敦大学玛丽女王学院公派留学期间与剑桥大学石墨烯研究中心合作完成的。该成果很好地解决了透明吸波材料在宽频带的应用问题,为石墨烯纳米材料在毫米波和太赫兹通信领域的应用提供了重要参考,在隐身材料方面也具有广阔的应用前景。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日发表在《Nature》子刊 《Scientific Reports》上。

吴边副教授的主要研究方向包括滤波器理论与技术、微波器件与天线,以及石墨烯与太赫兹器件等。

2015年2月消息:中国科学院微电子研究所微电子所微波器件与集成电路研究室(四室)研究员金智带领的团队,对石墨烯的材料生长、转移和石墨烯射频器件的制备进行了深入、系统的研究,制备出了具有极高振荡频率的石墨烯射频器件。四室研究团队利用旋涂的方法在石墨烯表面形成BCB薄膜,并以此作为种子层进行了氧化铝介电层的沉积生长。该方法不仅具有极好的工艺可控性,由于BCB特殊的化学结构,避免了对石墨烯性能的不利影响,实现了高性能石墨烯射频器件的制备。

2015年4月消息:中国科学院上海微系统与信息技术研究所在锗基石墨烯应用研究中取得新进展。信息功能材料国家重点实验室SOI材料课题组在国际上首次采用单侧氟化石墨烯作为锗基MOSFET的栅介质/沟道界面钝化层,调制界面特性,有望解决未来微电子技术进入非硅CMOS时代,锗材料替代硅材料所面临的栅介质/沟道界面不稳定的难题。研究论文Fluorinated graphene in interface engineering of Ge-based nanoelectronics 以卷首插图(Frontispiece)形式于3月25日在Advanced Functional Materials上发表(25(12): 1805-1813, 2015; DOI: 10.1002/adfm.201404031)。

2015年6月消息:天津大学精密仪器与光电子工程学院、太赫兹研究中心张伟力教授团队在太赫兹波产生、探测和人工电磁媒质等研究领域取得了多项具有国际原创性的研究成果,相关研究工作分别发表在《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Physical Review Letters》等国际著名学术刊物上。该团队博士生李泉、青年教师田震、韩家广教授等提出了基于石墨烯和半导体的太赫兹波调控的新方法,即采用石墨烯-硅的复合结构,在低功率连续激光的激励下,利用极低的电压(0.1-4伏)即可实现对太赫兹信号的大幅度调制,其调制深度高达83%,带宽覆盖0.4-2THz范围。在此基础上研制的太赫兹集成化器件,实现了对太赫兹波的正向偏压导通、负向偏压截止的光学“二极管”效应。该研究成果为太赫兹二维材料和器件的发展奠定了重要基础,在宽带太赫兹波调制器、太赫兹波整流、太赫兹波通信等领域有十分重要的应用前景。

2015年6月消息:武汉光电国家实验室超快光学团队陆培祥教授、王兵教授、博士生柯少林等针对十字形石墨烯阵列结构进行了系统的数值模拟。研究表明,在红外和太赫兹波段,阵列结构中产生的表面等离激元共振可以有效地增强石墨烯对光的吸收。当十字形结构的臂宽增大时,即使石墨烯的占有率很低,也可以产生强烈的吸收。此外,增加石墨烯化学势和电子弛豫时间可以显著地增强吸收。研究表明,如果采用互补结构,吸收将会得到进一步增强。利用多层结构还可实现双峰吸收和宽带吸收。该研究成果系统展示了石墨烯周期微结构的光吸收增强及其可调特性,在太阳能电池、发射器、传感器、空间光调制器等光电子器件中潜在的应用价值。

2015年9月消息:中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室研制成功可集成的石墨烯量子芯片单元。该实验室固态量子芯片组郭国平教授与合作者成功实现了石墨烯量子点量子比特和超导微波腔量子数据总线的耦合,首次测定了石墨烯量子比特的相位相干时间及其奇特的四重周期特性,并首次在国际上实现了两个石墨烯量子比特的长程耦合,为实现集成化量子芯片迈出了重要的一步。系列成果分别在《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 115, 126804 (2015)]和《纳米快报》[Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02400(2015)]上发表。

两个石墨烯量子比特与超导微波腔长程耦合样品图和测量装置示意图

郭国平研究组在2008年提出将超导腔引入半导体量子芯片做量子数据总线的理论方案[Phys. Rev. Lett.101, 230501 (2008)]后,经过近7年的努力先后攻克了石墨烯全电控单双量子点的制备、石墨烯量子比特的设计构造等系列难关,研发了具有自主知识产权的新型超导微波谐振腔,最终实现了超导微波腔与石墨烯量子比特的复合结构。实验测试表明该新型超导量子数据总线与石墨烯量子比特的耦合强度达到30MHz,在未来大规模集成的量子芯片架构中将具有重要意义。

总结

IBM 公司负责科研的副总裁陈自强博士表示,石墨烯的一大优势在于其中的电子可实现极高速的传输,这对于下一代高速、高性能晶体管的研发来说是至关重要的。上述一系列技术突破清楚地表明了石墨烯在高性能器件和集成电路方面的巨大应用前景。