引言
石墨烯材料的获得，成功地验证了碳二维晶体的理论预测，这种具有二维波浪形平面结构新型碳材料，在力、光、电、化学、生物等方面均具有优良潜能，因此在全球范围内掀起了关于石墨烯的研究热潮。石墨烯的诞生为纳米材料注入了新的活力，功能化的石墨烯纳米片成为纳米粒子的载体，很好地解决了纳米颗粒团聚的问题；同时优良的导电特性又很好地促进了载流子在纳米粒子间的传输。近年来，大面积石墨烯薄膜制备技术的快速发展，进一步推动了新型电子器件以及集成电路研究中石墨烯的应用。石墨烯具有众所周知的极高比表面积(约2630cm2/g)，热导率可达5000W/(m·K)，室温下电子的迁移率为15000cm-1/(V·s)(是硅片的10倍)，机械强度大(130GPa)，室温下具有反常量子霍尔效应，这些性能使其成为高速电子器件、光电子器件、传感器等研究中的热点。除此之外，石墨烯极佳的柔韧性，也使它成为柔性电子器件的首选材料。同时，碳是生命体的基本构成元素，与传统电子器件相比，基于石墨烯的电子器件在生物兼容性方面也将具有更大的优势；石墨的资源丰富，我国是世界上石墨储量最大的国家之一，可以预测石墨烯必将成为未来电子器件的主要材料，新型石墨烯电子器件的研究，将是未来这一领域的主流方向。围绕近年来石墨烯在新型电子器件研究中的应用。
1石墨烯电子器件的背景与发展前景
随着我们经济的发展，物质基础不断强大，科学技术迅猛发展，我国的电子工程技术和半导体科学进一步发展。但是以硅为中心的半导体芯片在器件中的应用和制作已经到达了瓶颈期。为了提高器件的集成密度，优化器件品质，提升大规模集成电路的整体处理能力，相关工作人员和研究人员在不断探索和寻找一种新型的材料来代替硅，石墨烯比较适用于电子器件，是一种二维蜂结构的碳单质，逐渐被研究者发现并深入研究。研究人员通过相关研究发现，石墨烯材料具有较高的电子迁移性，它不容易受到外部环境的影响。在常温的情况下，石墨烯的载流子密度和电子迁移率都与电子器件实际的需求相符，并且石墨烯具有较高的与硅基半导体竞争能力。石墨烯的出现为科学家和相关研究人员提供了丰富的研究素材，它的出现方便了人们的生活，促进了电池产业的变革，使汽车行业实现了革命性的突破。石墨烯的发展前景广阔，我们可以从以下几个方面进行展望：首先，它具有吸引力的温室道场效应适合在电子工程领域开发和深入研究。其次，它增强了主电路开关的时效性，缩短了开关的时间，加快了响应的速度。再次，我们要进一步探索和开发电子器件。最后，我们可以在相同的石墨烯上进行整个电路的集成，进而有效的减小集成板的体积。
2石墨烯材料在电子器件中的应用
2.1石墨烯场效应在晶体管中的应用
经过长时间的研究表明，有机场效应晶体管已经成为目前最重要的电子器件之一。现阶段，很多晶体管中的电极材料大多是金和铝，它不仅阻力和抗力较大，而且反应不够灵活、消耗资源较多、透光性低、不容易弯曲和变形。石墨烯材料与铝的化学性质相似，它具有铝拥有的优点，并且避免了铝的缺点，它的化学性质比铝的化学性质更加稳定，电子迁移率较高，同时它与相邻层的材料之间接触的电阻很小。通过大量的研究和实验，相关技术人员认为石墨烯是一种极为合适的、比较理想的电极材料，并且制作石墨烯的方法在日渐成熟，变得越来越多样化。
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2.2石墨烯在太阳能电池中的应用
由于石墨烯的高透明度和高导热率、高导电性能，使得它在太阳能电池中的应用具有巨大的潜能。如果采用石墨烯作为有机太阳能电池的阳极，可节省30%的成本，同时器件的转换率为2．5%，接近氧化铟锡器件的转换率3%。目前，用于太阳能电池透明电极的ITO对红外线的透射率比较低，且有效的光电转换不易实现，从而使大多数太阳能电池不能把红外线能源有效地利用。而石墨烯几乎是唯一能避免以上不足的材料，其原因是石墨烯具有非常高的载流子迁移率。现在，找到适当的制造技术，制造出高质量的石墨烯片，使其具有高度的电荷迁移率是现在研究的重点。
2.3石墨烯在超级电容器中的应用
我们可以将超级电容器叫做双电层电容器，它可以有效传递能量，进行高效存储。同时它具有绿色环保、使用期限长、充电时间短、低耗能等优点。因为石墨烯具有优异的柔韧性、导电性和机械性能良好、比表面积较大，所以我们将其作为较为理想的超级电容电极材料。
2.4石墨烯在集成电路中应用
三维集成电路将多层平面器件通过硅通孔垂直连接，具有高密度、低功耗的特点，同时也造成较高的功耗密度，产生的热量不易被排出。将铜作为三维集成电路穿透硅通孔(ThroughSiliconVias，TSV)材料，但其存在电迁移及热膨胀现象，作为TSV填充物质，但碳纳米管存在维度低，耦合性差等问题。2013年，利用石墨烯优异的热导性能以及电学性能，提出一种新型多层石墨烯纳米束填充硅晶孔洞的3D集成电路，通过研究发现，多层石墨烯纳米束的传热以及配电性能优于铜和碳纳米管。在三维芯片中增加一个石墨烯层解决散热问题，加入石墨烯导热层后，峰值温度有了较好的改善，石墨烯层能够提供良好的散热通道，将热量快速分散开。同年，申请制备具有石墨烯屏蔽效应的3D集成电路的专利，石墨烯层作为3D集成电路相邻层级或者相邻层之间的电磁干扰屏蔽体，可减少在层级之间的串扰，同时向周围传递热量。
2.5石墨烯在光电探测器中的应用
广电探测器可以直接吸收入射光子能量，将其中的电子激发至导带，有效提升材料的综合性能，在电视、远程控制以及DVD播放领域都有广泛的应用。一般情况下，半导体材料的带隙大小会受到入射光子能量吸收的影响，石墨烯带隙为零，可以直接将电子激发至导带中，吸收带宽较宽，有着理想的载流子迁移率，非常适合应用在探测器领域。
2.6石墨烯在高速电子器件中的应用
作为一种新型的电子器件，石墨烯促进了信息、通信和电子等多个领域的发展。目前，已经有公司将石墨烯材料研制成了射频FET，它是当前运行速度最快、体积最小的射频。但是，石墨烯也有不足之处，由于它具有零带隙的特点，所以当GFET处于关闭的状态时，仍然会有少量的电流经过，这在一定程度上阻碍了石墨烯替代硅的发展。
结语
近几年,石墨烯在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多独特而优异的性能和潜在的应用前景,在超级电容器、场效应晶体管、发光二极管、锂离子电池等器件应用方面取得了较好的研究成果和进展.迄今为止,石墨烯研究和应用的重点和难点之一依然是其大规模、低成本、可控生长和制备。在众多的石墨烯制备方法中,外延生长法有望成为高质量、与传统电子工艺兼容、低成本、大面积的宏量制备技术,已经初步实现了从纳米、微米、厘米石墨烯的成功制备,同时可实现石墨烯从单层、双层到少数层的调控.相信在众多科研工作者的不断努力之下,石墨烯改变人们的生活将不再遥远。
参考文献
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[2]赵艳丽.三维氮、硫掺杂石墨烯材料的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究[D].哈尔滨工业大学,2017.
[3]王玉生.基于石墨烯材料的光电子器件应用研究[D].苏州大学,2018.
论文作者:沈先波
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/26
标签：石墨论文; 电子器件论文; 材料论文; 太阳能电池论文; 载流子论文; 集成电路论文; 器件论文; 《中国西部科技》2019年第24期论文;