石墨烯：正在从实验室走向产业化

石墨烯在实验室中实现了其承诺。现在，欧盟研究人员正致力于支持其在高端电子、光子学和传感器领域的更广泛应用。

过去十年来，Inge Asselberghs 博士一直密切参与先进的石墨烯研究。如今，她正站在将这种“神奇材料”从实验室带入社会的前沿。

Asselberghs 是一个国际研究团队的成员，该团队在位于比利时鲁汶的全球领先纳米电子研究机构 Imec 建立了石墨烯和其他二维材料的原型制造设施。

作为 2D 实验中试线 (2D-EPL) 的一部分，该团队汇集了来自六个欧洲国家的 11 所大学、研究机构和公司的专业知识。他们的目标是推进石墨烯在原型中的生产和集成，以用于高端电子、光子学和传感器。

石墨烯有可能从根本上改变许多技术领域。它仅由一层碳原子组成，非常薄。

石墨烯非常坚固、轻便且柔韧，能够导热和导电。这使得它非常适合用于从下一代电池到先进航空航天应用等各种产品。

“石墨烯一被发现，人们就开始炒作。炒作比最初预期的要强烈得多，”阿塞尔伯格斯说。

欧盟认识到石墨烯和其他二维材料的经济潜力，于 2013 年启动了为期 10 年的石墨烯旗舰计划，汇集了 178 个学术和工业合作伙伴，预算达 10 亿欧元，以促进该领域的研究。2D-EPL 是这项广泛计划的一部分。

这条实验性中试生产线设在多个地点，旨在加速石墨烯和其他层状材料在电子、光子学、传感器和光电子新原型制造中的应用。这将是二维材料融入全面芯片制造之前的关键一步。

Asselberghs 表示：“我们的第一个目标是通过修改现有工艺，弄清楚如何制造晶圆规模的石墨烯器件，以便它们能够在自动化制造设备中进行处理。”

晶圆是一种用于电子和其他行业的薄圆形材料片。达到石墨烯可以常规应用于复杂设备的阶段将是一个重要的里程碑。

石墨烯和其他二维材料的一个缺点是，它们非常薄，很难完美地制造出来。只需要一粒灰尘，甚至几个不需要的分子，就能在石墨烯中造成缺陷。

在制造过程中，石墨烯必须用薄聚合物层保护，然后转移到硅基上。这些薄层需要非常小心地处理。弄清楚如何在自动化过程中做到这一点是一项挑战。

“你的房间和工具需要严格控制和清洁，以避免设备上出现任何颗粒，”阿塞尔伯格斯说。

Imec 在其专门的制造工厂中建立了一条装配线，用于处理直径为 200 或 300 毫米的石墨烯晶圆，这是硅制造工厂使用的标准尺寸，因此为业界所熟悉。

其他研究伙伴添加了工具、机器和知识来帮助“烹制”完美的石墨烯配方，因为大规模生产仍然很微妙。

欧洲在探索石墨烯和其他二维材料潜力方面一直处于全球领先地位。

英国布里斯托尔牛津仪器等离子技术公司的荷兰研究员哈姆·诺普斯 (Harm Knoops) 表示：“我们在欧洲的二维材料领域占据相当强势的地位，因为我们长期以来一直获得资金支持研究。”

他的公司专门利用等离子技术以原子级精度创造和操纵物质，并为 2D-EPL 的制造过程做出了贡献。

研究人员和业界对二维材料的热情不仅仅集中在石墨烯上。研究人员还对其他超薄材料感兴趣，这些材料可以像硅一样充当半导体并用于先进制造业。

这些材料的潜力引起了许多工业领域的兴趣。潜在客户已经与研究团队取得联系，提出了具体的设计要求。

石墨烯的一大优势在于它由碳组成，而碳是地球上最常见的元素之一。人们希望石墨烯的集成将支持先进电子产品和传感器的廉价和大规模制造，并允许开发尚未发明的设备。

尽管石墨烯和其他二维材料尚未准备好作为先进电子产品投入工业化生产，但最终肯定会进入市场。Knoops 的公司是石墨烯旗舰项目的一部分，他说，它们可以制造出具有超快晶体管或更灵敏传感器的更优质的设备。

“这可能意味着数据中心使用更少的电力，或者你的互联网速度更快，或者你可以将特殊的传感器或医疗设备连接到你的手机上。”

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