剑桥大学旗下公司石墨烯晶圆开始大规模商业化生产

3月15日,记者了解到,剑桥大学衍生公司Paragraf已经开始生产直径达8英寸的石墨烯 ,足以用于商业电子设备。Paragraf正在生产石墨烯“晶圆”和基于石墨烯的电子器件,可用于晶体管,其中基于石墨烯的芯片可提供比硅芯片快十倍的速度; 在化学和电子传感器中,石墨烯可以将灵敏度提高30倍以上。该公司的第一台设备将在未来几个月内上市。

3月15日,记者了解到,剑桥大学衍生公司Paragraf已经开始生产直径达8英寸的石墨烯 ,足以用于商业电子设备。Paragraf正在生产石墨烯“晶圆”和基于石墨烯的电子器件,可用于晶体管,其中基于石墨烯的芯片可提供比硅芯片快十倍的速度; 在化学和电子传感器中,石墨烯可以将灵敏度提高30倍以上。该公司的第一台设备将在未来几个月内上市。

剑桥大学旗下公司石墨烯晶圆开始大规模商业化生产

从电子传输的角度来看,石墨烯是一种性能优异、令人兴奋的新型二维材料。这些年,科学家已经观察到电子在石墨烯中的传输速度能够接近光速,这完胜单晶硅和其他半导体材料。

因此,石墨烯一直被科学界认为是硅材料的继承者,将会彻底改变半导体产业,使用石墨烯能够制造出更快、更高效的光电子器件。

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然而,要制备完美的单层石墨烯——规则、平坦、超薄——是极其困难的,这在很大程度上限制了石墨烯的使用范围。传统的石墨烯制备方法通常会产生褶皱,这就造成了石墨烯的表面不平整,阻碍了电子的传输,极大地限制了石墨烯的电学性能。

此前,麻省理工学院的工程师们已经找到了一种新方法,不仅能够使石墨烯的褶皱更少,还能消除已经产生的褶皱,使其进一步平整化。他们对用他们方法制备的石墨烯进行了测试,结果表明,他们的石墨烯整体性能均匀,电子在各个区域(包括先前是褶皱,然后被平整化的区域)“自由”地传输,且速度相近。

麻省理工学院机械工程系与材料科学与工程系的助理教授Jeehwan Kim说:“石墨烯要想成为工业领域内的主要半导体材料,它必须是单畴的、性能均匀的。现在,我们已经能够生产出真正的晶圆级单畴石墨烯。”

制备石墨烯的最常用的方法是化学气相沉积(CVD):首先,碳原子沉积到像铜箔这样的晶体衬底材料上;当单层碳原子均匀地覆盖在铜箔上后,将其浸入酸中刻蚀掉铜,留下石墨烯;最后,将石墨烯从酸中取出。

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从整个制备的过程我们不难看出,铜衬底本身的粗糙度和从酸中提取石墨烯的过程都会对石墨烯质量产生很大影响,通常会使石墨烯产生大范围的、宏观的褶皱。这样的石墨烯就不均匀,原子排列也不规则,使单晶石墨烯变成了由石墨烯片不规则堆积的“多晶”石墨烯,从而阻碍电子的传输。

在2013年,Kim在IBM工作时,他就和同事提出了一种制备单层石墨烯晶圆的方法,这种方法能够使石墨烯上的碳原子成键取向完全一致。

该团队使用的不是CVD,而是依靠原子表面光滑的碳化硅晶片。他们的方法也会产生微小的、类似阶梯状的微小褶皱,但是这种褶皱的尺寸大约处于埃(十亿分之一米)量级,是可以被消除的。最后他们使用镍薄片将碳化硅晶圆的最顶层的石墨烯剥离出来,这个过程称为“层析石墨烯转移”(layer-resolved graphene transfer)。

Kim及其同事发现,层析石墨烯转移过程可以消除由碳化硅制备石墨烯过程中所产生的衬底台阶和微小的褶皱。

具体方法是,在将单层石墨烯转移到硅晶圆之前,先将硅晶圆氧化,使其变成二氧化硅。然后,当研究人员沉积石墨烯时,二氧化硅能有效地将石墨烯中的碳原子拉深到其晶圆表面,这就消除了最初制备石墨烯所产生的衬底台阶和褶皱。

Kim表示,这种变薄拉深方法(ironing method)对由CVD制备的石墨烯不起作用,因为CVD产生的皱纹要大得多,几微米左右;但用他们的方法制备石墨烯,褶皱只有几纳米,可以将其平整化。

为了测试该平整化的单晶石墨烯晶片是否是单畴的,研究人员在此晶片的多个位置(包括先前的褶皱区域)制造了微小的晶体管。

Kim说:“我们测量了整个晶圆的电子迁移率,它们的性能也相当。而且,这种石墨烯中的电子迁移率快了两倍,所以现在我们确实制备出了单畴石墨烯,其电学性能比附着石墨烯的碳化硅要高得多。”

尽管石墨烯要真正地大规模用于电子行业还面临着巨大挑战,但是 Kim 表示,,他们的研究成果已经为研究人员制备高纯、单畴、无褶皱的石墨烯绘制了蓝图。

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“如果你要想使用石墨烯的电子产品,那么就需要制备出单畴石墨烯。要制造出具有实际操作功能的石墨烯晶体管还有很长一段路要走,但现在我们已经提供了一种制备单晶(高纯)、单畴的石墨烯方法。”

石墨烯具有卓越的性能 – 比钢更坚固,比铜更具导电性,高度柔韧和透明 – 使其成为各种应用的理想选择。 然而,其在电子设备中的广泛商业应用受到与以高质量和高产量生产它相关的困难的阻碍。 制造大面积石墨烯的常规方法涉及使用铜作为污染石墨烯的催化剂,使其不适合电子应用。

来自剑桥大学材料科学与冶金系的氮化镓中心的Colin Humphreys教授,以及他的前博士后研究人员Simon Thomas博士和Ivor Guiney博士,在2015年开发了一种制造大面积石墨烯的新方法。

利用他们的方法,研究人员能够形成直径达8英寸的高质量石墨烯晶圆,不仅击败了全球其他大学研究团体,还击败了IBM,英特尔和三星等公司。

这三位研究人员于2018年初分拆了Paragraf .Thomas目前是该公司的首席执行官,Guiney是其首席技术官,而最近搬到伦敦玛丽皇后大学的Humphreys担任主席。

Paragraf已获得290万英镑的资金支持其第一批商业产品的开发,并于2018年2月迁入办公场所。资金回合由大学商业化部门Cambridge Enterprise领导。 Paragraf已经雇佣了16名员工,并已申请了8项专利。

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