刘忠范院士：后摩尔时代，请“放过”石墨烯( 二 ) A3尺寸石墨烯薄膜、四

成本和规模化制备影响石墨烯产业化的关键
作为一种新型材料，石墨烯材料的发展现状是“理想很丰满，现实很骨感” 。刘忠范对《中国电子报》采访人员坦言，目前石墨烯市场上的很多石墨烯材料都不是很“靠谱” 。
2018年，诺贝尔物理学奖获得者康斯坦丁?诺沃肖洛夫同新加坡国立大学另一教授一起在《先进材料》上发表了一篇文章，他们检验了全世界60多家企业的粉体石墨烯材料，发现在绝大多数企业提供的样品中，石墨烯含量不足10% 。刘忠范向采访人员表示，石墨烯是纯碳材料，里面是100%的碳。但现在的情况是，目前绝大多数所谓“石墨烯材料”的碳含量不超过60% ，也就是说，有超过40%的石墨烯材料成分连碳都不是。“这就是现在的问题，在石墨烯材料上面，业界还有很多需要努力的空间。”刘忠范说。

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实验人员进行检测和实验
在诸多需要努力的方面中，规模化制备水平的提高是推动石墨烯产业发展的一大关键要素。刘忠范对采访人员表示，石墨烯产业正处于发展的初级阶段，这个阶段需要让规模化制备成为可能。刘忠范指出，产品要想从实验室走出、往规模化方向发展，需要具有很高的质量和极强的一致性、稳定性。但是目前，石墨烯产品的规模化制备却不容易。
其中，石墨烯的剥离是一大难点。用胶带粘出来的诺贝尔物理学奖曾被传为一段“佳话”：用一片胶带去粘另一边片胶带上的石墨，再撕下来就可以让石墨片变薄，这是一种非常实用且有趣的剥离方法。不过，刘忠范告诉采访人员，粉体石墨烯的剥离不是使用胶带，而是用一种化学方法，例如通过硫酸和强氧化剂去煮，把粉体石墨烯一层层剥离出来。但现在的难点是，石墨烯剥离的层数从1层到100层都有，很难控制。
石墨烯的生长也是一个难题。刘忠范表示，薄膜石墨烯一般是在高温炉子里烧出来的。在1000℃的高温加热炉里用铜箔做催化剂，就可以在铜箔上面长一个原子层的石墨烯。“虽然能长出来，但是却长得不好。”刘忠范对采访人员说， “石墨烯原子像拍得非常漂亮，但实际做出来的东西缺陷很多、质量很差。”
规模化制备的不一致性、不稳定性和低质量是石墨烯实现产业化的主要瓶颈。除规模量产之外，成本问题也是石墨烯走向市场的一大难点。刘忠范以“纤”姿百态的柔性显示为例告诉采访人员，具有导电特性的石墨烯可以做柔性屏幕。但需要注意的是，经过叠层处理后，石墨烯的导电性和透光性还需要进一步提升，这些材料本身和工艺上问题的解决会大幅增加生产成本，使石墨烯柔性屏幕丧失性价比优势与市场竞争力。“一张A3尺寸石墨烯薄膜材料的价格是2万元人民币。这样的价格，与现有显示技术相比，根本不具竞争力。”刘忠范说。
石墨烯晶圆不是好出路应寻更多应用突破口
人们对新事物总是有很多期许和憧憬。尽管目前石墨烯材料的规模化制备还存在难点，但石墨烯产业的发展前景仍充满光明。
半导体行业被很多人视作石墨烯材料大显身手的舞台。后摩尔时代，启用新材料被认为是解决芯片性能问题、突破芯片制造物理瓶颈的出路之一。作为“黑金”和“新材料之王” ，石墨烯在业界备受瞩目。
刘忠范等研究人员的最新研究进展书写了石墨烯在半导体产业应用的新篇章。一直以来，我国氮化物核心材料、器件的原始创新能力较为薄弱，核心专利技术不足。同时，由于缺乏同质衬底，氮化物材料一直通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石、硅、碳化硅等单晶衬底上进行异质外延。单晶衬底的尺寸、成本、晶格失配、热失配、导热导电性等限制了氮化物材料的发展。在这种情况下，刘忠范等研发人员在玻璃衬底上采用化学气相沉积技术，发展了一系列石墨烯晶圆制备方法，通过“异构外延”减弱了氮化物对单晶衬底的依赖，对于扩大半导体外延衬底选择范围、丰富半导体异质外延概念、实现面向后摩尔时代的片上物质组装和异构集成，具有非常重大的意义。